一种难熔高熵合金粉末材料、制备方法及其在增材制造中的应用技术

本发明专利技术公开了一种难熔高熵合金粉末材料，涉及增材制造和高熵合金领域，其特点在于材料主体组分包括Nb、Mo、Ta、W的粉末材料，每种金属的原子百分比分别为10％～40％，添加粉末包括NbC、MoC、TaC、WC、ZrC、TiC和C中的一种或两种，原子百分比含量0<x≤5％，原子百分比总和为100％。其制备方法为清除粉末材料的氧化层和杂质，然后进行称重配比并进行球磨均匀混粉处理，最后采用真空加热设备对复合粉末材料进行烘干备用。本发明专利技术还公开上述难熔高熵合金粉末材料在增材制造中的应用方法。本发明专利技术的难熔高熵合金粉末材料克服了增材制造的易开裂和缺陷问题，在高温及超高温领域具有广阔的应用前景。景。景。

【技术实现步骤摘要】
一种难熔高熵合金粉末材料、制备方法及其在增材制造中的应用


[0001]本专利技术涉及增材制造和高熵合金
，尤其涉及一种难熔高熵合金粉末材料、制备方法及其在增材制造中的应用。

技术介绍

[0002]难熔高熵合金由于其优异的耐高温性能得到了世界各国的广泛关注，被认为将引发高温合金领域的革命性变革。NbMoTaW系难熔高熵合金由美国空军实验室Senkov团队在2010年首次公开报道，其不仅能在1400℃下保持相结构与组织稳定，在1600℃高温下仍具有突出的综合力学性能，在1000℃以上其屈服强度和比屈服强度等高温力学性能远超镍基高温合金。
[0003]然而，大多数难熔高熵合金在强度与成形性能之间尚无法合理协调。NbMoTaW系难熔高熵合金室温塑性差、脆性严重(室温压缩应变仅为2.1％，断口呈准解理断裂)，导致其可加工性能极差。因此，难熔高熵合金现有的电弧熔炼、粉末冶金等制备方式存在很大局限性：制得尺寸不足、形状简单、可加工性差等缺点都严重限制了难熔高熵合金的进一步推广应用。
[0004]增材制造具有近净成形、生产流程短、局部形性可控等优点，在零部件减重设计、快速迭代设计和高性能制造独具优势。由于该技术近净成形的特点，难熔高熵合金复杂结构制备的瓶颈将得到较好的解决。但是，难熔高熵合金室温脆性大、固态冷却温度区间大(熔点高)导致应力控制难，因此，增材制造难熔高熵合金具有极高难度。若能够设计制备一类适用于增材制造的NbMoTaW系难熔高熵合金粉末材料，实现增材制造NbMoTaW系难熔高熵合金的大尺寸构件制备，将有效推动其在高温结构材料领域的推广应用，为航空航天飞行器及其动力装置、核反应堆及发电装备等重要领域新一代装备的创新发展提供坚实的新一代材料支撑。
[0005]追求NbMoTaW难熔高熵合金良好的强韧性匹配，特别是改善室温脆性是重要的追求目标。难熔高熵合金在室温下大多高强易脆，很难利用机械加工诱导变形促进强化，目前采用的方法依然以成分优化为主。目前针对NbMoTaW系难熔高熵合金的材料设计主要针对电弧熔炼工艺和固相烧结工艺等，缺乏专门针对增材制造快速非平衡凝固特点的材料及粉末材料设计方法。为了解决难熔高熵合金在激光增材制造快速非平衡冷却过程中脆性导致的裂纹及成形难题，需要对粉末材料的成分和粒径范围等关键参数进行专门设计。
[0006]因此，本领域技术人员致力于开发一种适用于增材制造的难熔高熵合金粉末材料及应用方法对于推动其应用具有非常重要的作用。

技术实现思路

[0007]有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是难熔高熵合金室温脆性导致可加工性差，在增材制造中极易产生裂纹等缺陷以及成形质量差等瓶颈，同时难熔
高熵合金常用的电弧熔炼、粉末冶金等制备方式制得尺寸不足、形状简单等缺点。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供了一种难熔高熵合金粉末材料，所述难熔高熵合金粉末材料包括主体组分和添加粉末，所述主体组分包括Nb、Mo、Ta、W粉末材料，所述添加粉末包括NbC、MoC、TaC、WC、ZrC、TiC和C中的一种或两种，添加上述几种物质的一种或两种主要是为了解决难熔高熵合金的室温脆性问题，提高难熔高熵合金的室温强度和韧性。通过添加这些粉末材料可以在增材制造块体材料组织中析出纳米相。。
[0009]进一步地，所述Nb、Mo、Ta、W粉末材料的原子百分比分别为10％～40％，所述添加粉末的原子百分比含量为0<x≤5％，所述原子百分比总和为100％。
[0010]进一步地，所述Nb、Mo、Ta、W粉末材料的粒径在5μm～250μm，所述添加粉末的粒径在10nm～50μm。
[0011]本专利技术提供上述的难熔高熵合金粉末材料的制备方法，包括如下步骤：
[0012]步骤a、采用纯度超过99.9％的所述Nb、Mo、Ta、W粉末材料，以及所述添加粉末NbC、MoC、TaC、WC、ZrC、TiC和C中的一种或两种，清除粉末材料的氧化层和杂质；
[0013]步骤b、按照设计成分的原子百分比分别计算每种粉末材料所需的各元素及化合物质量，再进行称重配比；
[0014]步骤c、采用球磨机对已完成称重配比的复合粉末材料进行球磨均匀混粉处理，直至所述复合粉末材料中各成分均匀混合；
[0015]步骤d、采用真空加热烘干设备对已完成均匀混粉的所述复合粉末材料进行烘干，充分去除粉末表面附着的水蒸气、各种气体以及杂质，得到所述难熔高熵合金粉末材料。
[0016]本专利技术还提供上述的制备方法得到的难熔高熵合金粉末材料在增材制造中的应用，包括如下步骤：
[0017]步骤1：选择大小合适的金属基板，清理至洁净、无油污、无灰尘、无锈迹；
[0018]步骤2：采用送粉式增材制造系统，则采用工业机器人搭载热源，并联送料系统，将所述难熔高熵合金粉末材料过筛后填入所述送料系统；
[0019]步骤3：在软件中建立欲打印工件的3D模型，转化成机器人扫描路径文件，输入所述工业机器人控制的电脑中；
[0020]步骤4：以给定路径进行扫描，同时通过所述送料系统将新的所述难熔高熵合金粉末材料送入；
[0021]步骤5：待全部扫描完成、冷却后使用线切割使所述工件与所述金属基板分离；
[0022]步骤6：清洗、打磨、抛光所述工件，得到难熔高熵合金块体样品。
[0023]进一步地，步骤2还可为采用粉床铺粉式增材制造系统，系统中设置有刮刀，用于将第一层所述难熔高熵合金粉末材料平铺在步骤1所述金属基板上。
[0024]进一步地，所述难熔高熵合金块体样品在室温下的相结构为体心立方晶体结构+纳米析出强化相的复合结构。
[0025]本专利技术将增材制造领域的需求同难熔高熵合金的特点结合，提供了一种适用于增材制造快速非平衡冷却特点的难熔高熵合金粉末材料及改性设计方法，有效解决了难熔高熵合金增材制造的裂纹等缺陷问题，提高了难熔高熵合金的抗开裂性能；
[0026]利用所加入的少量碳化物，在增材制造超常冶金条件下促进了纳米强化相在体心立方固溶体基体中的析出，细化了增材制造晶粒尺寸，并进一步同时提高了增材制造难熔
高熵合金的室温强度和塑性，以及高温强度；
[0027]利用增材制造技术近净成形、生产流程短、局部形性可控等优点，可以大幅提高材料利用率、降低材料成本，在零部件减重设计、快速迭代设计和高性能制造等方面具有明显优势；
[0028]粉末材料所涉及的元素较少，配制简单，易于实现工业化生产，同时具有成本低、环境友好等优点。
[0029]以下将结合附图对本专利技术的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本专利技术的目的、特征和效果。
附图说明
[0030]图1是本专利技术实施例三的NbMoTaW系难熔高熵合金的粉末材料均匀混合烘干后的典型SEM形貌；
[0031]图2是本专利技术实施例三的NbMoTaW系难熔高熵合金选区激光熔化制备的块状样品照片(a)和本专利技术NbMoT本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种难熔高熵合金粉末材料，其特征在于，所述难熔高熵合金粉末材料包括主体组分和添加粉末，所述主体组分包括Nb、Mo、Ta、W粉末材料，所述添加粉末包括NbC、MoC、TaC、WC、ZrC、TiC和C中的一种或两种。2.如权利要求1所述的难熔高熵合金粉末材料，其特征在于，所述Nb、Mo、Ta、W粉末材料的原子百分比分别为10％～40％，所述添加粉末的原子百分比含量为0<x≤5％，所述原子百分比总和为100％。3.如权利要求1所述的难熔高熵合金粉末材料，其特征在于，所述Nb、Mo、Ta、W粉末材料的粒径在5μm～250μm，所述添加粉末的粒径在10nm～50μm。4.如权利要求1所述的难熔高熵合金粉末材料的制备方法，其特征在于，包括如如下步骤：步骤a、采用纯度超过99.9％的所述Nb、Mo、Ta、W粉末材料，以及所述添加粉末NbC、MoC、TaC、WC、ZrC、TiC和C中的一种或两种，清除粉末材料的氧化层和杂质；步骤b、按照设计成分的原子百分比分别计算每种粉末材料所需的各元素及化合物质量，再进行称重配比；步骤c、采用球磨机对已完成称重配比的复合粉末材料进行球磨均匀混粉处理，直至所述复合粉末材料中各成分均匀混合；步骤d、采用真空加热烘干设备对已完成均匀混粉的所述复合粉...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯凯，徐金涛，李铸国，段然，张显程，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：