一種高強(qiáng)度高熵合金NbMoTaWVCr及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于高熵合金技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種高強(qiáng)度高熵合金NbMoTaWVCr及其制備方法。該方法采用機(jī)械合金化和放電等離子燒結(jié)技術(shù)相結(jié)合的成形方法，成形工藝比傳統(tǒng)的真空電弧爐熔鑄法操作更加簡(jiǎn)便，成形所需的溫度大幅降低，燒結(jié)時(shí)間短，一次燒結(jié)即可獲得成分均勻且近全致密的塊體材料，可實(shí)現(xiàn)近凈成形。采用本發(fā)明方法得到的NbMoTaWVCr高熵合金的顯微組織為等軸晶基體中彌散分布著顆粒狀析出相，且晶粒細(xì)小，組織均勻，具有較高的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，室溫下的最佳力學(xué)性能達(dá)到：壓縮屈服強(qiáng)度為3416.7MPa，最大抗壓強(qiáng)度為3834.3MPa，斷裂時(shí)的塑性應(yīng)變量為5.2％。
【專利說明】
一種高強(qiáng)度高熵合金NbMoTaWVCr及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于高熵合金技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高強(qiáng)度高熵合金NbMoTaWVCr及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)合金一般以一種或者兩種元素為主，通過添加少量的合金元素達(dá)到一定的力學(xué)性能與物理性能，從而滿足特定的使用需求。如今傳統(tǒng)合金體系的發(fā)展已趨于飽和，而高熵合金的提出突破了傳統(tǒng)合金設(shè)計(jì)的框架，使得高性能合金的研發(fā)進(jìn)入了一個(gè)新的階段。高熵合金一般可定義為由五種及五種以上的元素按照等原子比或者接近等原子比合金化，其混合熵高于合金的熔化熵，一般形成高熵固溶體相的一類合金。高熵合金具有一系列不同于傳統(tǒng)合金的優(yōu)異性能，例如具有較高的硬度、耐磨性、高溫強(qiáng)度、耐蝕性等，因此具有非常重要的研究?jī)r(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]2011年，Senkov 0.N.等人通過熔鑄法首先制備出以Nb、Mo、Ta、W、V高熔點(diǎn)金屬為主要元素的新型高熵合金，其室溫下的壓縮屈服強(qiáng)度為1246MPa，最大壓縮強(qiáng)度為1270MPa，斷裂時(shí)的塑性應(yīng)變量為1.7%，并且在600?1600 0C高溫下仍能保持較高的強(qiáng)度，表現(xiàn)出較高的熱穩(wěn)定性和耐回火軟化性能。此后高熔點(diǎn)高熵合金的研究與開發(fā)逐漸成為高熵合金領(lǐng)域的一個(gè)新的熱點(diǎn)，如何通過材料成分、組織的改善進(jìn)一步提升該合金的力學(xué)性能是當(dāng)前面臨的主要問題。
[0004]目前高熵合金塊體材料的制備以真空電弧爐熔鑄法為主，真空電弧熔鑄法可以制得大尺寸的金屬錠，而且可以快速定向凝固消除了常見的縮孔、偏析等缺陷，但真空電弧爐熔鑄卻存在一系列難以克服的缺點(diǎn)，鑄造法工藝比較復(fù)雜，存在枝晶偏析、晶粒粗大的問題，這些都會(huì)對(duì)高熵合金的力學(xué)性能產(chǎn)生影響。近年來越來越多的人開始采用粉末冶金法制備各種成分的高熵合金，與普通熔煉法相比，粉末冶金法可顯著避免成分偏析，細(xì)化晶粒，從而改善鑄造方法的缺陷，保證合金具有均勻的組織和穩(wěn)定的性能，從而為高熵合金的研究提供了新的發(fā)展方向。
[0005]機(jī)械合金化(Mechanical alloying)是指金屬或合金粉末在高能球磨機(jī)中通過粉末顆粒與磨球之間長(zhǎng)時(shí)間激烈地沖擊、碰撞，使粉末顆粒反復(fù)產(chǎn)生冷焊、斷裂，導(dǎo)致粉末顆粒中的原子擴(kuò)散，從而獲得合金化粉末的一種粉末制備技術(shù)。機(jī)械合金化具有成分可調(diào)范圍大、顯微組織細(xì)小、化學(xué)成分均勻和容易形成非穩(wěn)態(tài)相、過飽和相等特點(diǎn)，可用于制備高熵合金粉末、非晶合金粉末、納米晶粉末、金屬間化合物粉末以及納米復(fù)合粉末等。放電等離子燒結(jié)(Spark Plasma Sintering，SPS)是一種快速、低溫、環(huán)保的粉末成形新技術(shù)，其主要特點(diǎn)是通過瞬時(shí)產(chǎn)生的放電等離子使被燒結(jié)顆粒表面活化，具有升溫速率快、燒結(jié)時(shí)間短、操作簡(jiǎn)單方便、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，因而容易得到晶粒細(xì)小的致密燒結(jié)體。SPS技術(shù)被廣泛應(yīng)用于制備各種金屬材料、難熔合金、陶瓷材料、梯度功能材料、電磁材料、納米材料、非晶合金等一系列新型材料的燒結(jié)。
[0006]若能通過選擇合適的合金成分，并且采用機(jī)械合金化和放電等離子燒結(jié)相結(jié)合的粉末冶金技術(shù)，制備出組織均勻細(xì)小，力學(xué)性能優(yōu)異的高強(qiáng)度高熵合金塊體材料，將具有非常重要的科學(xué)和工程意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明的首要目的在于提供一種高強(qiáng)度高熵合金NbMoTaWVCr的制備方法。
[0008]本發(fā)明方法先采用機(jī)械合金化制備出單相體心立方(BCC)結(jié)構(gòu)的合金粉末，再利用放電等離子燒結(jié)(SPS)進(jìn)行燒結(jié)，得到塊體材料，實(shí)現(xiàn)近凈成形，并獲得近全致密的高熵合金，其顯微組織細(xì)小均勻，無枝晶偏析。
[0009]本發(fā)明另一目的在于提供上述方法制備的高強(qiáng)度高熵合金NbMoTaWVCr。
[0010]本發(fā)明的目的通過下述方案實(shí)現(xiàn):
[0011 ] 一種高強(qiáng)度高熵合金NbMo TaWVCr的制備方法，該方法采用機(jī)械合金化和放電等離子燒結(jié)技術(shù)相結(jié)合的成形方法，具體為采用機(jī)械合金化制備單相BCC結(jié)構(gòu)的NbMoTaWVCr高熵合金粉末，再利用放電等離子燒結(jié)技術(shù)對(duì)上述粉末進(jìn)行燒結(jié)，得到高強(qiáng)度高熵合金NbMoTaWVCr塊體材料。
[0012]更具體包括如下步驟和工藝條件:
[0013]步驟一:采用機(jī)械合金化法制備NbMoTaWVCr高熵合金粉末
[0014]將Nb、Mo、Ta、W、V、Cr單質(zhì)粉末混合進(jìn)行高能球磨，得到單相BCC結(jié)構(gòu)的NbMoTaWVCr合金粉末；
[0015]步驟二:放電等離子燒結(jié)
[0016]采用放電等離子燒結(jié)爐燒結(jié)步驟一得到的合金粉末，其工藝條件如下:
[0017]燒結(jié)設(shè)備:放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)
[0018]燒結(jié)電流類型:直流脈沖電流
[0019]燒結(jié)溫度:1200?1500 Γ
[0020]保溫時(shí)間:5?25min[0021 ] 燒結(jié)壓力:30?50MPa
[0022]升溫速率:50?30(TC/min
[0023]經(jīng)燒結(jié)獲得NbMoTaWVCr高強(qiáng)度高熵合金塊體材料。
[0024]步驟一中所述高能球磨過程中采用的球磨罐和磨球的材質(zhì)優(yōu)選為不銹鋼或硬質(zhì)合金，球磨的工藝條件為:球料比為5:1?20:1，轉(zhuǎn)速為100?300r/min，球磨時(shí)間為10?80ho
[0025]步驟一中所用Nb、Mo、Ta、W、V、Cr單質(zhì)粉末的量?jī)?yōu)選為等原子比，也可選擇非等原子比。
[0026]步驟一中的混合粉末在高能球磨過程中，逐漸實(shí)現(xiàn)合金化，最后形成單相BCC結(jié)構(gòu)的合金粉末，此時(shí)合金化過程完成，取出NbMoTaWVCr高熵合金粉末用于后續(xù)的燒結(jié)。
[0027]步驟一中的球磨過程優(yōu)選在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行。
[0028]本發(fā)明提供一種上述方法制備得到的NbMoTaWVCr高強(qiáng)度高熵合金塊體材料，密度為10.9?11.2g/cm3，其顯微組織為等軸晶基體中彌散分布著顆粒狀析出相，其中基體和析出相均為BCC結(jié)構(gòu)固溶體，基體相富集較多的W、Mo，平均晶粒尺寸在200nm?5.0ym之間；析出相富集較多的Nb、Ta、V、Cr或者Ta、V，平均晶粒尺寸在150?590nm之間。
[0029]本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下的優(yōu)點(diǎn)及有益效果:
[0030](I)本發(fā)明采用機(jī)械合金化和放電等離子燒結(jié)相結(jié)合的方法制備NbMoTaWVCr高熵合金，成形工藝比傳統(tǒng)的真空電弧爐熔鑄法操作更加簡(jiǎn)便，成形所需的溫度大幅度降低，燒結(jié)時(shí)間短，一次燒結(jié)即可獲得成分均勻且近全致密的塊體材料，并且可實(shí)現(xiàn)近凈成形。采用本發(fā)明工藝簡(jiǎn)化，實(shí)用性好，且有效地降低了能耗，因此具有良好的發(fā)展前景。
[0031](2)本發(fā)明消除了鑄造高強(qiáng)度高熵合金中的粗大枝晶組織，基體組織為細(xì)小的等軸晶，從而使平均晶粒尺寸減小、成分更加均勻，進(jìn)而提高材料的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，促進(jìn)高強(qiáng)度高熵合金的研究和應(yīng)用。
[0032](3)本發(fā)明制備的高強(qiáng)度高熵合金NbMoTaWVCr室溫下的最佳力學(xué)性能為:壓縮屈服強(qiáng)度σο.2 = 3416.7MPa，最大抗壓強(qiáng)度obc = 3834.3MPa，斷裂時(shí)的塑性應(yīng)變量εΡ = 5.2%，具有十分優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0034]實(shí)施例1
[0035]一種高強(qiáng)度高熵合金NbMoTaWVCr材料的制備方法采用機(jī)械合金化和放電等離子燒結(jié)技術(shù)相結(jié)合的成形方法，它包括如下步驟及其工藝條件:
[0036]步驟一:采用機(jī)械合金化法制備NbMoTaWVCr高熵合金粉末
[0037](I)按等原子比稱取Nb、Mo、Ta、W、V、Cr單質(zhì)粉末，并混合均勻。
[0038](2)將混合粉末和磨球加入行星式高能球磨機(jī)的球磨罐中進(jìn)行球磨，罐體材料及磨球的材質(zhì)均為不銹鋼，球磨罐內(nèi)抽真空并充高純氬氣(99.99 % )作為保護(hù)氣氛。隨著球磨時(shí)間的延長(zhǎng)，混合粉末逐步實(shí)現(xiàn)合金化，由多種單質(zhì)粉末的混合粉末轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袉蜗郆CC結(jié)構(gòu)的合金粉末，同時(shí)，粉末內(nèi)部的晶粒不斷細(xì)化。高能球磨過程中采用的球料比為12:1，轉(zhuǎn)速為300r/min，球磨時(shí)間為10h。
[0039]步驟二:放電等離子燒結(jié)
[0040]采用放電等離子燒結(jié)爐燒結(jié)步驟一中的合金粉末，其工藝條件如下:
[0041 ]燒結(jié)設(shè)備:放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)
[0042 ]燒結(jié)電流類型:直流脈沖電流
[0043]燒結(jié)溫度:1200°C
[0044]保溫時(shí)間:25min
[0045]燒結(jié)壓力:30MPa
[0046]升溫速率:100Γ/min
[0047]經(jīng)本實(shí)施例燒結(jié)后，NbMoTaWVCr合金的顯微組織由BCC單相組織轉(zhuǎn)變?yōu)槎喾NBCC相的混合組織，顆粒狀析出相均勻分布于等軸晶基體中，基體的平均晶粒尺寸為200nm;析出相的平均晶粒尺寸為150nm。高熵合金燒結(jié)材料的密度為10.9g/cm3，室溫下最大抗壓強(qiáng)度Obc 達(dá)到3652.0MPa，維氏硬度為 1059.7Hv。
[0048]實(shí)施例2
[0049]一種高強(qiáng)度高熵合金NbMoTaWVCr材料的制備方法采用機(jī)械合金化和放電等離子燒結(jié)技術(shù)相結(jié)合的成形方法，它包括如下步驟及其工藝條件:
[0050]步驟一:采用機(jī)械合金化法制備NbMoTaWVCr高熵合金粉末[0051 ] (I)按等原子比稱取Nb、Mo、Ta、W、V、Cr單質(zhì)粉末，并混合均勻。
[0052](2)將混合粉末和磨球加入行星式高能球磨機(jī)的球磨罐中進(jìn)行球磨，罐體材料及磨球的材質(zhì)均為硬質(zhì)合金，球磨罐內(nèi)抽真空并充高純氬氣(99.99%)作為保護(hù)氣氛。隨著球磨時(shí)間的延長(zhǎng)，混合粉末逐步實(shí)現(xiàn)合金化，由多種單質(zhì)粉末的混合粉末轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袉蜗郆CC結(jié)構(gòu)的合金粉末，同時(shí)，粉末內(nèi)部的晶粒不斷細(xì)化。高能球磨過程中采用的球料比為5:1，轉(zhuǎn)速為250r/min，球磨時(shí)間為80h。
[0053]步驟二:放電等離子燒結(jié)
[0054]采用放電等離子燒結(jié)爐燒結(jié)步驟一中的合金粉末，其工藝條件如下:
[0055]燒結(jié)設(shè)備:放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)
[0056]燒結(jié)電流類型:直流脈沖電流
[0057]燒結(jié)溫度:1300 Γ
[0058]保溫時(shí)間:15min
[0059]燒結(jié)壓力:40MPa
[0060]升溫速率:200Γ/min
[0061 ] 經(jīng)本實(shí)施例燒結(jié)后，NbMoTaWVCr合金的顯微組織由BCC單相組織轉(zhuǎn)變?yōu)槎喾NBCC相的混合組織，顆粒狀的析出相均勻分布于等軸晶基體中，基體的平均晶粒尺寸為540nm;析出相的平均晶粒尺寸為300nm。高熵合金燒結(jié)材料的密度為11.2g/cm3，室溫下最大抗壓強(qiáng)度obc達(dá)到4422.9MPa，維氏硬度為1073.8Hv。
[0062]實(shí)施例3
[0063]一種高強(qiáng)度高熵合金NbMoTaWVCr材料的制備方法采用機(jī)械合金化和放電等離子燒結(jié)技術(shù)相結(jié)合的成形方法，它包括如下步驟及其工藝條件:
[0064]步驟一:采用機(jī)械合金化法制備NbMoTaWVCr高熵合金粉末
[0065](I)按等原子比稱取Nb、Mo、Ta、W、V、Cr單質(zhì)粉末，并混合均勻。
[0066](2)將混合粉末和磨球加入行星式高能球磨機(jī)的球磨罐中進(jìn)行球磨，罐體材料及磨球的材質(zhì)均為不銹鋼，球磨罐內(nèi)抽真空并充高純氬氣(99.99 % )作為保護(hù)氣氛。隨著球磨時(shí)間的延長(zhǎng)，混合粉末逐步實(shí)現(xiàn)合金化，由多種單質(zhì)粉末的混合粉末轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袉蜗郆CC結(jié)構(gòu)的合金粉末，同時(shí)，粉末內(nèi)部的晶粒不斷細(xì)化。高能球磨過程中采用的球料比為20:1，轉(zhuǎn)速為100r/min，球磨時(shí)間為60h。
[0067]步驟二:放電等離子燒結(jié)
[0068]采用放電等離子燒結(jié)爐燒結(jié)步驟一中的合金粉末，其工藝條件如下:
[0069]燒結(jié)設(shè)備:放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)
[0070]燒結(jié)電流類型:直流脈沖電流
[0071]燒結(jié)溫度:1400Γ
[0072]保溫時(shí)間:I Om i η
[0073]燒結(jié)壓力:50MPa
[0074]升溫速率:300Γ/min
[0075]經(jīng)本實(shí)施例燒結(jié)后，NbMoTaWVCr合金的顯微組織由BCC單相組織轉(zhuǎn)變?yōu)槎喾NBCC相的混合組織，顆粒狀的析出相均勻分布于等軸晶基體中，基體的平均晶粒尺寸為1.2μπι;析出相的平均晶粒尺寸為370nm。高熵合金燒結(jié)材料的密度為11.2g/cm3，室溫下壓縮屈服強(qiáng)度σο.2達(dá)到3416.7MPa，最大抗壓強(qiáng)度obc達(dá)到3834.3MPa，斷裂時(shí)的塑性應(yīng)變?yōu)?.2%，維氏硬度為1011.2Hv，具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。
[0076]實(shí)施例4
[0077]一種高強(qiáng)度高熵合金NbMoTaWVCr材料的制備方法采用機(jī)械合金化和放電等離子燒結(jié)技術(shù)相結(jié)合的成形方法，它包括如下步驟及其工藝條件:
[0078]步驟一:采用機(jī)械合金化法制備NbMoTaWVCr高熵合金粉末
[0079](I)按等原子比稱取Nb、Mo、Ta、W、V、Cr單質(zhì)粉末，并混合均勻。
[0080](2)將混合粉末和磨球加入行星式高能球磨機(jī)的球磨罐中進(jìn)行球磨，罐體材料及磨球的材質(zhì)均為不銹鋼，球磨罐內(nèi)抽真空并充高純氬氣(99.99 % )作為保護(hù)氣氛。隨著球磨時(shí)間的延長(zhǎng)，混合粉末逐步實(shí)現(xiàn)合金化，由多種單質(zhì)粉末的混合粉末轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袉蜗郆CC結(jié)構(gòu)的合金粉末，同時(shí)，粉末內(nèi)部的晶粒不斷細(xì)化。高能球磨過程中采用的球料比為8:1，轉(zhuǎn)速為200r/min，球磨時(shí)間為40h。
[0081 ]步驟二:放電等離子燒結(jié)
[0082]采用放電等離子燒結(jié)爐燒結(jié)步驟一中的合金粉末，其工藝條件如下:
[0083]燒結(jié)設(shè)備:放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)
[0084]燒結(jié)電流類型:直流脈沖電流
[0085]燒結(jié)溫度:1500 Γ[0086 ] 保溫時(shí)間:5m i η
[0087]燒結(jié)壓力:50MPa
[0088]升溫速率:50Γ/min
[0089]經(jīng)本實(shí)施例燒結(jié)后，NbMoTaWVCr合金的顯微組織由BCC單相組織轉(zhuǎn)變?yōu)槎喾NBCC相的混合組織，顆粒狀的析出相均勻分布于等軸晶基體中，基體的平均晶粒尺寸為5.Ομπι;析出相的平均晶粒尺寸為590nm。高熵合金燒結(jié)材料的密度為11.lg/cm3，室溫下壓縮屈服強(qiáng)度σο.2達(dá)至lj3492.3MPa，最大抗壓強(qiáng)度obc達(dá)到3912.3MPa，斷裂時(shí)的塑性應(yīng)變?yōu)?.5%，維氏硬度為1037.4Hv，具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。
[0090]上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種高強(qiáng)度高熵合金NbMoTaWVCr的制備方法，其特征在于該方法采用機(jī)械合金化和放電等離子燒結(jié)技術(shù)相結(jié)合的成形方法。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)度高熵合金NbMoTaWVCr的制備方法，其特征在于該方法具體為采用機(jī)械合金化制備單相BCC結(jié)構(gòu)的NbMoTaWVCr高熵合金粉末，再利用放電等離子燒結(jié)技術(shù)對(duì)所述粉末進(jìn)行燒結(jié)，得到高強(qiáng)度高熵合金NbMoTaWVCr塊體材料。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)度高熵合金NbMoTaWVCr的制備方法，其特征在于具體包括如下步驟和工藝條件: 步驟一:采用機(jī)械合金化法制備NbMoTaWVCr高熵合金粉末 將Nb、Mo、Ta、W、V、Cr單質(zhì)粉末混合進(jìn)行高能球磨，得到單相BCC結(jié)構(gòu)的NbMoTaWVCr合金粉末； 步驟二:放電等離子燒結(jié) 采用放電等離子燒結(jié)爐燒結(jié)步驟一得到的合金粉末，其工藝條件如下: 燒結(jié)設(shè)備:放電等離子燒結(jié)系統(tǒng) 燒結(jié)電流類型:直流脈沖電流 燒結(jié)溫度:1200?1500 °C 保溫時(shí)間:5?25min 燒結(jié)壓力:3O?5OMPa 升溫速率:50?300 °C/min 經(jīng)燒結(jié)獲得NbMoTaWVCr高強(qiáng)度高熵合金塊體材料。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高強(qiáng)度高熵合金NbMoTaWVCr的制備方法，其特征在于:步驟一中所述球磨的工藝條件為:球料比為5:1?20:1，轉(zhuǎn)速為100?300r/min，球磨時(shí)間為10?80ho5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高強(qiáng)度高熵合金NbMoTaWVCr的制備方法，其特征在于:步驟一中所用Nb、Mo、Ta、W、V、Cr單質(zhì)粉末的量為等原子比或非等原子比。6.—種高強(qiáng)度高熵合金NbMoTaWVCr，其特征在于根據(jù)權(quán)利要求1?5任一項(xiàng)所述的制備方法得到。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高強(qiáng)度高熵合金NbMoTaWVCr，其特征在于:該合金材料的密度為10.9?11.2g/cm3，其顯微組織為等軸晶基體中彌散分布著顆粒狀析出相，其中基體和析出相均為BCC結(jié)構(gòu)固溶體，基體相富集較多的W、Mo，平均晶粒尺寸在200nm?5.0ym之間；析出相富集較多的Nb、Ta、V、Cr或者Ta、V，平均晶粒尺寸在150?590nm之間。
【文檔編號(hào)】C22C1/04GK105950945SQ201610508749
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年6月29日
【發(fā)明人】龍雁, 陳曉東, 李小珍, 高楠
【申請(qǐng)人】華南理工大學(xué)