一种高强度M2B型高熵合金化硼化物陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高强度M2B型高熵合金化硼化物陶瓷及其制备方法，属于高温合金材料技术领域。本发明专利技术基于高混合熵效应和晶格畸变效应的存在，构建的M2B型高强度高熵合金化硼化物陶瓷由四方相M2B构成，包括Co、Cr、Fe、Ni和B元素，因此具有高温抗氧化性、致密性和优异的力学性能。同时本发明专利技术首次通过真空电弧熔炼和高熵合金化硼化物陶瓷的化学成分及含量配合制备出成分均匀、可控的致密性高、抗氧化性能强和机械性能优异的M2B型高强度高熵合金化硼化物陶瓷，避免由于烧结工艺的限制或引入其他杂质等因素产生了杂相，使获得的样品气孔较多，致密度不够，导致样品的硬度，模量及断裂韧性急剧下降。性急剧下降。性急剧下降。

【技术实现步骤摘要】
一种高强度M2B型高熵合金化硼化物陶瓷及其制备方法


[0001]本专利技术属于高温合金材料
，具体涉及一种高强度M2B型高熵合金化硼化物陶瓷及其制备方法。

技术介绍

[0002]当前航空航天、核电、能源转换等领域对高温结构材料的性能要求不断提高，单晶镍基高温合金的服役温度已达到1150℃，逼近其熔点，性能开发达到材料的极限，亟待设计新型高温合金材料。传统的金属材料通常以一种或两种金属元素为主元，通过引入少量合金化元素以提高其综合力学性能。2004年，多主元高熵合金概念的提出，颠覆了传统的材料设计思路，极大地拓宽了合金的成分设计空间。高熵合金的高熵效应、晶格畸变效应、缓慢扩散效应及鸡尾酒效应，使其具备在高温下稳定服役的潜力。
[0003]传统的MB2型硼化物基超高温陶瓷，如HfB2、ZrB2、TaB2、和TiB2为六方结构，晶体空间群为P6/mmm，拥有一系列优越的综合特性，如高熔点、高硬度、高强度、高热导率和高抗热震性等，但是硼化物陶瓷中存在的强共价键及粉体内部夹杂的氧杂质成为了制约其烧结致密化的主要瓶颈，同时在实际应用中，由于硼化物陶瓷存在较差的抗氧化性，因此也限制了其在极端环境中的广泛使用。
[0004]改变合金元素的组成，例如通过添加微量元素和不同元素的替代，是改善材料性能的有效方法。因此，在高熵合金领域，如何调整合金成分及配比，从而提高合金的机械性能成为急需解决的技术问题。因此，在高熵合金领域，如何调整合金成分及配比，从而提高合金的机械性能成为急需解决的技术问题。

技术实现思路
<br/>[0005]针对上述技术问题，本专利技术提供一种高强度M2B型高熵合金化硼化物陶瓷及其制备方法。本专利技术通过调整高熵合金化硼化物陶瓷金成分及配比得到单一M2B型高熵合金化硼化物陶瓷，从而提高合金的致密性、抗氧化性能和机械性能。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种高强度M2B型高熵合金化硼化物陶瓷，包括如下元素Fe、Co、Ni、Cr、B，所述元素的原子比为1.0：1.0：1.0：1.0：2.0，所述高强度M2B型高熵合金化硼化物陶瓷由四方相M2B构成，M为Fe、Co、Ni和Cr，原子比为Fe、Co、Ni和Cr＝1：1：1：1。
[0007]本专利技术选用过渡金属元素(Cr，Fe，Co，Ni)具有相似的物理和化学性质，B元素与Co、Cr、Fe、Ni元素间的混合焓绝对值较大，且B与其他元素之间存在较大的电负性差异，B
‑
Co、B
‑
Cr、B
‑
Fe和B
‑
Ni经历共晶反应，获得稳定的硼化物相。
[0008]所述M2B四方相为棒状结构。
[0009]一种高强度M2B型高熵合金化硼化物陶瓷的制备方法，包括如下步骤：
[0010](1)称取硼粉和粉铁、钴、镍和铬，均匀混合然后加压处理获得坯体；
[0011](2)将坯体放入真空电弧熔炼炉中抽真空，然后通入保护气体，采用钨针电流引
弧，增加电流至合金元素熔至液态，保持180s～240s后关闭电流，冷却后得到铸锭；
[0012](3)将铸锭重复翻面重复步骤(2)，得到高强度M2B型高熵合金化硼化物陶瓷。
[0013]作为本专利技术的优选实施方案，所述硼粉和粉铁、钴、镍和铬的纯度为99.95％，粒径为200目。
[0014]作为本专利技术的优选实施方案，所述步骤(1)中，加压处理的压力是10MPa，时间为3min。
[0015]作为本专利技术的优选实施方案，所述步骤(2)中，抽真空后压强为0.003pa～0.005Pa；通入保护气体是气压达到半个大气压后停止通入保护气体，重复抽真空和通入保护气体2
‑
3次。
[0016]作为本专利技术的优选实施方案，所述步骤(2)中，钨针电流引弧时，将钨针移至坯体上方1～3mm处，以20～30A的电流引弧。
[0017]作为本专利技术的优选实施方案，所述步骤(3)中，重复翻面重复步骤(2)10
‑
15次进行重熔。
[0018]作为本专利技术的优选实施方案，重熔过程中保持最大电流3
‑
4分钟。
[0019]作为本专利技术的优选实施方案，对重熔后的铸锭进行表面处理和干燥处理后得到高强度M2B型高熵合金化硼化物陶瓷。
[0020]所述表面处理具体为：将重熔后的铸锭切开后，打磨表面使其变得光亮，用无水乙醇清洗。
[0021]所述干燥处理后具体为：将表面处理后的铸锭在真空度为3Pa～5pa、温度为100℃～120℃下干燥15～20分钟。
[0022]作为本专利技术的优选实施方案，所述步骤(3)电弧熔炼前，将真空电弧熔炼炉腔室进行清理和无水乙醇清洗。
[0023]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0024](1)由于高混合熵效应和晶格畸变效应的存在，本专利技术所述M2B型高强度高熵合金化硼化物陶瓷由单一四方相M2B构成，包括Co、Cr、Fe、Ni和B元素，因此具有高温抗氧化性、致密性和优异的力学性能。
[0025](2)本专利技术首次通过真空电弧熔炼和高熵合金化硼化物陶瓷的化学成分及含量配合制备出成分均匀、可控的单一M2B型高强度高熵合金化硼化物陶瓷。避免由于烧结工艺的限制或引入其他杂质等因素产生了杂相，使获得的样品气孔较多，致密度不够，导致样品的硬度，模量及断裂韧性急剧下降。
附图说明
[0026]图1为本专利技术实施例1所制备的高强度M2B型高熵合金化硼化物陶瓷的XRD图。
[0027]图2为本专利技术实施例1所制备的高强度M2B型高熵合金化硼化物陶瓷的微观组织形貌图。
[0028]图3为本专利技术实施例1所制备的高强度M2B型高熵合金化硼化物陶瓷的硬度二维分布图。
[0029]图4为本专利技术实施例1所制备的高强度M2B型高熵合金化硼化物陶瓷的杨氏模量二维分布图。
具体实施方式
[0030]为更好地说明本专利技术的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本专利技术作进一步说明。
[0031]实施例1
[0032]所述高强度M2B型高熵合金化硼化物陶瓷的制备方法包括如下步骤：
[0033]步骤1：按照Fe、Co、Ni、Cr、B的原子比为1.0：1.0：1.0：1.0：2.0称取反应原料：铁粉8.3775g，钴粉8.8395g，镍粉8.8035g，铬粉7.8000g，硼粉3.2430g，所采用的粉末纯度均为99.95％，粒径为200目。将原料混合均匀，然后采用沈阳科晶压片机，压力为10MPa，压片时间为3分钟之后获得圆饼状坯体。
[0034]步骤2：首先将压好的圆饼状坯体放入真空电弧熔炼炉的水冷铜坩埚模辅助熔池中，关闭炉门，然后开启真空泵，抽空炉体内的空气，使得炉内的压强降低至0.003Pa后，关闭真空泵；然后通入氩气，使得输入的氩气达到半个大气压，关闭氩气阀，重复2次以清洗真空室。开始熔炼时将钨针移至坯体上方1mm处，以20A的电流引弧，熔炼本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高强度M2B型高熵合金化硼化物陶瓷，其特征在于，包括如下元素Fe、Co、Ni、Cr、B，所述元素的原子比为1.0：1.0：1.0：1.0：2.0。2.如权利要求1所述高强度M2B型高熵合金化硼化物陶瓷，其特征在于，所述高强度M2B型高熵合金化硼化物陶瓷由M2B四方相组成，M为Fe、Co、Ni和Cr，原子比为Fe、Co、Ni和Cr＝1：1：1：1。3.权利要求1或2所述高强度M2B型高熵合金化硼化物陶瓷的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)称取硼粉和粉铁、钴、镍和铬，均匀混合然后加压处理获得坯体；(2)将坯体放入真空电弧熔炼炉中抽真空，然后通入保护气体，采用钨针电流引弧，增加电流至合金元素熔至液态，保持180s～240s后关闭电流，冷却后得到铸锭；(3)将铸锭重复翻面重复步骤(2)，得到高强度M2B型熵合金化硼化物陶瓷。4.权利要求3所述高强度M2B型高熵合金化硼化物陶瓷的制备方法，其特征在于，所述硼粉和粉铁、钴、镍和铬的纯度为99.95％，粒径为200目。5.权利要求1所述高强度M2B型高熵合金化硼化物陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，加压处理的压力是10MPa，时间为3min。6...

【专利技术属性】
技术研发人员：种晓宇，丰园海，林洋，汪广驰，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：