【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于高强耐磨合金制备，具体涉及一种具有高强度和高耐磨性难熔高熵合金的制备方法。
技术介绍
1、合金结构部件因摩擦磨损造成的故障和能耗是高端设备面临的普遍问题，50%以上的机械设备恶性事故都是由于润滑失效或过度磨损造成。耐磨材料是减少磨损、确保结构部件可靠运行的关键材料。随着航空航天领域快速发展，许多高端装备需要在恶劣环境中长期稳定运行，这对合金的性能提出了更加苛刻的要求。近年来，难熔高熵合金表现出优异的热稳定性和高温力学性能，因而在结构部件的高温应用中备受关注。但与大多数高温合金类似，目前大多数难熔高熵合金在室温下的耐磨损性能并不令人满意，严重制约了该新型材料的发展。
2、引入不同强化机制是改善合金摩擦和磨损性能最主要的方法。根据archard定律，合金的耐磨性与其强度和硬度成正相关，因此改善这些机械性能有望同时提高耐磨性。例如，固溶强化、细晶强化、位错强化、第二相强化都可有效提高合金的强度和硬度，进而提升耐磨损性能。但是，单一的强化机制带来的性能提升是非常有限的。可以考虑引入多种强化机制来克服这一局限。研究已经证实，引入多重强化机制有望大幅提高合金的力学性能，进而有望同步提升耐磨损性能。基于此，本专利技术利用放电等离子烧结技术制备了一系列同时具有多种强化机制的难熔高熵合金，并实现高强度和耐磨性协同提升。
技术实现思路
1、本专利技术旨在提供一种合金制备方法，以制备一系列工艺简单、无需后续热处理的高强耐磨、原位第二相强化的ti xc
2、一、ti xcrnbtaw y难熔高熵合金的制备
3、本专利技术难熔高熵合金包括以下原子比的合金组分：ti xcrnbtaw y，其中x=0.5~1.5,y=0~1。
4、本专利技术具有高强度和高耐磨性难熔高熵合金的制备方法，包括以下步骤：
5、（1）根据合金原子比称取相应质量的ti、cr、nb、ta单质粉末在充满惰性气体的不锈钢球磨罐中进行机械混合。
6、ti、cr、nb、ta、w单质粉末的纯度均≥99%，粒径为15~60μm；
7、研磨转速为80~150 rpm，总时间控制在4~8 h，研磨期间不添加任何混合助剂，避免粉末污染。单质粉末在球磨罐中研磨时，球料质量比5:1，使用等质量比的2mm、5mm、8mm三种不锈钢球进行研磨混合。
8、（2）将混匀后的单质粉末取出并转移至钢模具中，在100~150 mpa的压力下干压10~15 min。
9、（3）干压完成后，将压实的粉末样品转移至石墨模具中，之后在放电等离子烧结炉中固结；
10、为了原位引入第二相，刻意在低真空环境下（2~8 pa）实施阶梯式烧结，以100~150℃/min初步保温温度提升至1650~1700 ℃（高于ti的熔点（1600 ℃）），随即保温10~20min，利用ti元素在晶界处的高传质效率，使其优先和残留的n、o元素反应，形成原位富钛第二相。接下来在10~15 min内降温至1400~1500 ℃后并随即增加轴向压力至30~40mpa进行固结，保温10~15分钟后随炉冷却，最终得到块体难熔高熵合金。
11、二、ti xcrnbtaw y难熔高熵合金的结构表征
12、使用荷兰的empyrean型x射线衍射分析来鉴定四种合金的相组成，使用扫描电子显微镜观察合金原始微观组织。
13、图1 为实施例制备的四种难熔高熵合金的xrd图，可以看出四种合金的相组成均为bcc和富ti的陶瓷增强相。
14、图2为实施例制备的四种难熔高熵合金合金的扫描电镜图像，可以看出四种合金均主要由bcc相组成，第二相倾向于在晶界富集。
15、三、ti xcrnbtaw y（x=0.5~1.5, y=0~1）难熔高熵合金性能测试
16、使用日本的ags-x型电子万能力学试验对合金进行室温压缩力学性能测试，使用上海的mh-5l型室温显微维氏硬度计进行维氏硬度测试，使用兰州中科凯华科技开发有限公司生产的gf-1200型摩擦磨损试验机进行室温往复球-盘摩擦磨损性能测试。
17、图3为实施例制备的四种难熔高熵合金合金的维氏硬度统计，图中可以看出相w0合金中增加更多w元素可以使硬度值从w0的563 hv提升至w1的740 hv，而向w1中添加更多的ti会使硬度略微增加至ti1.5的750 hv；
18、图4为实施例制备的四种难熔高熵合金合金的压缩应力应变曲线。可以看出，w0的屈服强度和压缩强度分别为1720 mpa和1880 mpa。w0.5和w1具有相当的压缩性能， w0.5合金屈服强度和抗压强度分别为 1930mpa 和 2050 mpa，w1合金屈服强度和抗压强度分别为1950 mpa 和 2030 mpa。而ti1.5的屈服强度和压缩强度最高，分别达到2130mpa和2310mpa。
19、图5为实施例制备的四种难熔高熵合金的磨损率统计，在室温下，w0的磨损率为2.7×10-4mm3/（n·m）。进一步添加ti/w使合金的磨损率则迅速降低。其中，w1和 ti1.5合金的磨损率降至10-5量级，分别为7.0×10-5mm3/(n·m) 和2.9×10-5mm3/(n·m)，比 w0 分别降低了74% 和89%。
20、本专利技术与现有技术相比具有以下优点：
21、本专利技术基于放电等离子烧结的方式，制备的一系列ti xcrnbtaw y难熔高熵合具有高强耐磨、制备工艺简单以及无需后续热处理等优点，方便实现工业化。通过简单的成分调控和烧结参数设计，组成元素会快速扩散固溶并形成稳定体心立方结构，同时第二相原位形成可以大幅提高两相的界面稳定和界面结合强度，确保了材料性能的可靠性。归因于两种强化机制的协同作用，难熔高熵合金的屈服强度可达1.72~2.13gpa，且磨损可低至(2.9~27)×10-5mm4/(n·m)，有望作为高强度结构件、耐磨功能件的潜在候选材料应用于航空航天领域。
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1. 一种具有高强度和高耐磨性难熔高熵合金的制备方法，其特征在于：难熔高熵合金包括以下原子比的合金组分：TixCrNbTaWy，其中x=0.5~1.5, y=0~1；
2.如权利要求1所述的具有高强度和高耐磨性难熔高熵合金的制备方法，其特征在于：Ti、Cr、Nb、Ta、W单质粉末的纯度均≥99%，粒径为15~60μm。
3.如权利要求1所述的具有高强度和高耐磨性难熔高熵合金的制备方法，其特征在于：研磨转速为80~150 rpm，总时间控制在4~8 h，研磨期间不添加任何混合助剂，避免粉末污染。
4.如权利要求1所述的具有高强度和高耐磨性难熔高熵合金的制备方法，其特征在于：单质粉末在球磨罐中研磨时，球料质量比5:1，使用等质量比的2mm、5mm、8mm三种不锈钢球进行研磨混合。
5.如权利要求1所述的高强耐磨难熔高熵合金作为航空航天领域的承载、耐磨结构件的应用。
【技术特征摘要】
1. 一种具有高强度和高耐磨性难熔高熵合金的制备方法，其特征在于：难熔高熵合金包括以下原子比的合金组分：tixcrnbtawy，其中x=0.5~1.5, y=0~1；
2.如权利要求1所述的具有高强度和高耐磨性难熔高熵合金的制备方法，其特征在于：ti、cr、nb、ta、w单质粉末的纯度均≥99%，粒径为15~60μm。
3.如权利要求1所述的具有高强度和高耐磨性难熔高熵合金的制备方法...
【专利技术属性】
技术研发人员：宋俊杰，游鑫，张永胜，司佳鑫，苏云峰，李涛，胡丽天，
申请(专利权)人：中国科学院兰州化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：
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