一种基于高熵硼化物析出强化钢及其制备方法技术

本专利申请公开了一种基于高熵硼化物析出强化钢及其制备方法，该方法包括以下步骤：步骤1，获取多种硼化物的材料结构，优化并计算其混合焓，找出在TiB2中混合焓为负的硼化物；步骤2，使用Thermo

【技术实现步骤摘要】
一种基于高熵硼化物析出强化钢及其制备方法


[0001]本专利技术涉及钢铁复合材料领域，具体涉及一种基于高熵硼化物析出强化钢及其制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，人们对被称为高熵的多组分陶瓷的发展越来越感兴趣，因为它们可以表现出比单一碳化物更高的硬度和抗氧化性，并且在许多高温应用方面也可能有潜力，加之高熵材料的核心效应(高熵效应、缓慢扩散、晶格畸变和鸡尾酒效应)的原因导致高熵陶瓷比起单一的陶瓷来说有性能的改善。高熵硼化物通常被定义为四或五种近似等摩尔的单一硼化物的固溶体，通过增强的构型熵来稳定，使吉布自由能最小化。或者，高熵硼化物也可以定义为具有四种或四种以上近等摩尔的主要金属元素的硼化物，或每种金属元素的含量在5％到35％之间的硼化物。
[0003]迄今为止，高熵硼化物的制备方法有很多种，许多报道的制造高熵硼化物的方法包括铸造、溅射、激光熔覆和机械合金化。铸造方法铸件组织不够致密，存在缩孔、气孔、渣、裂纹等缺陷，晶粒粗细不均。可以通过磁控溅射在钢表面镀上高熵硼化物和碳化物，但是不能实现强磁性材料的低温高速溅射。而机械合金化则涉及在室温高能球磨中对粉末颗粒进行反复的冷焊、断裂和再焊。以混合粉末为原料，采用机械合金化技术可制备出体积小、均匀的高熵合金粉末，虽应用广泛，但存在效率较低，介质污染严重的问题。自蔓延高温合成结合放电等离子烧结技术也能制备致密的硼化物高熵陶瓷，但由于自蔓延高温反应过程难以随意调控，生成的物相中杂质较多，较低的高熵陶瓷纯度会影响其应用效果。

技术实现思路

[0004]为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于高熵硼化物析出强化钢及其制备方法，该方法经过计算模拟与实验相结合，大大降低研究周期和研究成本，而且工艺简单，对环境污染小，并且研制出来的高熵硼化物硬度较高、强度高、热稳定性好，未来可用于载人航天，国防军工以及汽车制造等方面。
[0005]本专利技术所采用的技术方案如下：
[0006]一种基于高熵硼化物析出强化钢的制备方法，该方法包括以下步骤：
[0007]步骤1，基于目前开放的数据库(Materials Project、OQMD、SprInger Materials、ICSD和NIST)以及相关文献渠道获取多种硼化物的材料结构，采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，使用Materials studio或者VASP软件优化并计算其混合焓，找出在TiB2中混合焓为负的硼化物；
[0008]步骤2，使用Thermo
‑
Calc软件对不同合金元素等摩尔比的复合材料进行热力学模拟，选择一种在熔化过程中析出18
‑
20vol％硼化物颗粒的钢成分，模拟结果用于下一步制备样品；
[0009]步骤3，根据热力学模拟结果，选择一种成分来创建样品，计算所需各种样品的重
量，使用精度万分之一的天平进行称量，并使用干燥箱干燥，高能球磨机球磨；
[0010]步骤4，使用氩气或氮气为保护气的真空感应熔炼炉进行熔炼并铸造，并进行热处理；
[0011]步骤5，对铸造后的样品进行切片处理并使用一系列仪器进行表征分析。
[0012]相比现有技术，本专利技术的有益效果在于：
[0013]1.本专利技术制备方法经过计算模拟与实验相结合，大大降低研究周期和研究成本，而且工艺简单，对环境污染小，并且研制出来的高熵硼化物硬度较高、强度高、热稳定性好，未来可用于载人航天，国防军工以及汽车制造等方面。
[0014]2.基于目前开放的数据库(Materials Project、OQMD、SprInger Materials、ICSD和NIST)以及相关文献渠道获取多种硼化物的材料结构，采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，使用Materials project或者VASP软件优化并计算其混合焓，找出在TiB2中混合焓为负的硼化物。本专利技术采用上述独特的方法选择的元素具有理论支撑，在TiB2中混合焓为负的硼化物为热力学稳定的结构，能有效增强所制备的钢铁复合材料的热稳定性。
[0015]3.制备方法采用真空感应熔炼,通过简单的流程将就能碳化物和钢的成分熔炼在一起，在钢基体内原位析出碳化物，采用真空感应熔炼便于调控组织成分，可以制备出组织均匀，且无杂质污染的材料，选择在熔化过程中析出18
‑
20vol％硼化物颗粒的钢成分，能有效提升抗拉强度、硬度，而且专利技术人在研究中发现，若硼化物体积分数较高，则复合材料抗拉强度和延伸率都比较低，塑性随硼化物含量的升高显著降低；体积分数较低，则复合材料的延伸率虽然达到40％以上，但抗拉强度较低，仅能达到500MPa左右。
[0016]作为本专利技术优选的实施方式，步骤1包括：选取多种元素的硼化物的结构，使用密度泛函理论的第一性原理计算方法，采用Materials studio或者VASP软件进行计算，截断能设置为300eV，结构的能量收敛标准为10
‑6eV，力的收敛标准设置为每个原子低于自洽循环次数设置为100。
[0017]作为本专利技术优选的实施方式，步骤2包括：通过Thermo
‑
Calc的铁基数据库或钢数据库，为每一个相选择合适的热力学模型，研究多相热力学模型相边界、相组成与相分数，定义过共晶Fe
‑
9.6wt.％(Ti,M)
‑
4.0wt.％B成分。
[0018]作为本专利技术优选的实施方式，步骤3中：
[0019]通过热力学模型的结果，选择20％vol(Ti
0.167
,Zr
0.167
,Nb
0.167
.Hf
0.167
,Mo
0.167
,Ta
0.167
)B2作为研究对象，计算出每一相的标称成分，分别为Ti
0.67
,Zr
1.27
,Nb
1.3
,Ta
2.52
,Hf
2.49
,Mo
1.33
,B4,Fe
86.4
(wt％)；
[0020]熔化所用的原料是纯度99.9wt％及以上的硼颗粒，纯度99.7wt％及以上的Ti箔，纯度99.92wt％及以上的Zr箔、纯度99.8wt％及以上的Nb箔、纯度99.95wt％及以上的Ta丝，纯度99.99wt％及以上的铪铁，含铪50％及以上；纯度99.99wt％及以上的钼铁，含钼50％及以上；纯度99.999wt％及以上的石墨棒和纯度99.95wt％及以上的铁薄片。
[0021]干燥箱设置温度为50
‑
80℃，干燥时间2
‑
4h；
[0022]球磨转速为800r/min，时间为4
‑
8h。
[0023]作为本专利技术优选的实施方式，所用Ti过量1
‑
1.5g。
[0024]作为本专利技术优选的实施方式，步骤4包本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于高熵硼化物析出强化钢的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1，基于目前开放的数据库(Materials Project、OQMD、SprInger Materials、ICSD和NIST)以及相关文献渠道获取多种硼化物的材料结构，采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，使用Materials studio或者VASP软件优化并计算其混合焓，找出在TiB2中混合焓为负的硼化物；步骤2，使用Thermo
‑
Calc软件对不同合金元素等摩尔比的复合材料进行热力学模拟，选择一种在熔化过程中析出18
‑
20vol％硼化物颗粒的钢成分，模拟结果用于下一步制备样品；步骤3，根据热力学模拟结果，选择一种成分来创建样品，计算所需各种样品的重量，使用精度万分之一的天平进行称量，并使用干燥箱干燥，高能球磨机球磨；步骤4，使用氩气或氮气为保护气的真空感应熔炼炉进行熔炼并铸造，并进行热处理；步骤5，对铸造后的样品进行切片处理并使用一系列仪器进行表征分析。2.根据权利要求1所述的基于高熵硼化物析出强化钢的制备方法，其特征在于，步骤1包括：选取多种元素的硼化物的结构，使用密度泛函理论的第一性原理计算方法，采用Materials studio或者VASP软件进行计算，截断能设置为300eV，结构的能量收敛标准为10
‑6eV，力的收敛标准设置为每个原子低于自洽循环次数设置为100。3.根据权利要求2所述的基于高熵硼化物析出强化钢的制备方法，其特征在于：步骤2包括：通过Thermo
‑
Calc的铁基数据库或钢数据库，为每一个相选择合适的热力学模型，研究多相热力学模型相边界、相组成与相分数，定义过共晶Fe
‑
9.6wt.％(Ti,M)
‑
4.0wt.％B成分。4.根据权利要求1所述的基于高熵硼化物析出强化钢的制备方法，其特征在于，步骤3中：通过热力学模型的结果，选择20％vol(Ti
0.167
,Zr
0.167
,Nb
0.167
.Hf
0.167
,Mo
0.167
,Ta
0.167
)B2作为研究对象，计算出每一相的标称成分，分别为Ti
0.67
,Zr
1.27
,Nb
1.3
,Ta
2.52
,Hf
2.49
,Mo
1.33
,B4,Fe
86...

【专利技术属性】
技术研发人员：赖思，种晓宇，汪广驰，刘红梅，冯晶，蒋业华，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：