一种WNbTaMoV高熵合金及其制备方法
【专利摘要】本发明提供一种WNbTaMoV高熵合金，所述WNbTaMoV高熵合金由W、Nb、Ta、Mo、和V元素组成，所述WNbTaMoV高熵合金为单一的体心立方结构；本发明还提供一种WNbTaMoV高熵合金的制备方法，该制备方法将燃烧合成技术中的铝热反应与超重力场分离技术相结合，制备过程无污染，低能耗；可快速制备高致密度的WNbTaMoV高熵合金。
【专利说明】
一种WNbTaMoV高熵合金及其制备方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种WNbTaMoV高熵合金及其制备方法，属于合金材料及其制备技术领 域。
【背景技术】
[0002] 多主元高熵合金是一种采用新的材料设计理念制备得到的材料，多主元高熵合金 一般含有5种或5种以上元素，且每种元素含量在5%_35%，所有主要元素的原子百分比含 量基本相当。多主元引起的高熵效应有效抑制了金属间化合物的出现，有效降低了多主元 引起的合金的脆性，有利于形成简单的结晶相，且使得该合金显微结构倾向于纳米化，容易 获得纳米结构材料。
[0003] 高熵合金传统制备工艺一般采用加热熔炼或电化学沉积法制备，两类制备方法对 所选组元有较高的选择性，设备昂贵且制备时间较长、能耗高。
[0004] 本发明采用了一种全新的高熵合金制备路线，将铝热反应和超重力场分离技术相 结合。合金熔制过程依靠反应自身放热完成，反应生成的低粘度高温金属/陶瓷混合熔体在 超重力场中迅速分离，合金同步实现纯净化、致密化，整个反应过程远离平衡态，易获得非 平衡组分及特殊显微结构。本工艺通过合理选择铝热反应组分及超重力场系数，实现了快 速制备高致密的单一晶体结构的WNbTaMoV高熵合金。
[0005] 利用合金元素氧化物、粉体与A1粉反应实现合金元素的还原，添加部分金属单质 粉体或合金化粉体调控反应温度，由于主要的铝热反应属于高放热反应过程，在实现合金 元素还原的同时利用反应放出的热量实现不同元素的合金熔化，同时由于生成的金属熔体 与陶瓷熔体间的密度、表面张力差异及外加超重力场，可快速实现金属-陶瓷熔体分离和致 密化。冷却后获得具有理想结构的高熵合金材料。
[0006] 另外，本发明是基于燃烧合成技术中的铝热反应，利用合金元素氧化物、合金元素 单质粉体与铝粉反应实现合金元素氧化物的还原。所述铝热反应属于高放热反应，在实现 合金元素氧化物的还原过程中利用铝热反应放出的热量可实现不同元素的合金化，同时， 由于生成的金属熔体和陶瓷熔体间的密度、表面张力差异及外加超重力场，可快速实现金 属-陶瓷熔体分离和致密化。冷却后获得具有理想结构的高熵合金材料。
【发明内容】
[0007] 本发明要解决的第一个技术问题是提供一种WNbTaMoV高熵合金。
[0008] 本发明要解决的第二个技术问题是提供一种WNbTaMoV高熵合金的制备方法。
[0009] 为解决上述第一个技术问题，本发明提供一种WNbTaMoV高熵合金，所述WNbTaMoV 高熵合金由1、他3&、1〇、和￥元素组成。
[0010] 所述WNbTaMoV高熵合金为单一的体心立方结构。
[0011]为解决上述第二个技术问题，本发明提供一种WNbTaMoV高熵合金的制备方法，包 括如下步骤：
[0012] S1:将W和/或其氧化物、Nb和/或其氧化物、Ta和/或其氧化物、Mo和/或其氧化物、V 和/或其氧化物的干燥粉末和A1粉混合，且所述干燥粉末中至少包括一种含有W、Nb、Ta、Mo、 V元素的氧化物，获得铝热剂；
[0013] S2:将所述铝热剂压制成粉末压坯，然后将所述粉末压坯装入石墨坩埚中，再将所 述石墨坩埚置于超重力场中，发生铝热反应;反应完毕后产物分离为两层，剥离上层的氧化 铝陶瓷得所述的WNbTaMoV高熵合金。
[0014] 所述含有1他、了3、]?〇、￥元素的氧化物分别为恥3、恥20 5、了3205、]\1〇03和￥20 5。
[0015] 在一些实施方式中，制备所述WNbTaMoV高熵合金所用各原料粉体的原子摩尔比为 W:Nb:Ta:Mo:V:Al = 2:2:2:2:2:14~20。
[0016] 在一些优选的实施方式中，将1、他、了3、]?〇、￥金属单质的干燥粉末中的一种或几种 作为原料粉体时，各金属单质粉末添加比例不大于原料粉体总质量的20%。
[0017] 在一些实施方式中，添加部分金属单质粉体或铝粉是为了调控反应温度。
[0018] 所述的超重力场是通过高速离心旋转产生的，所述超重力场的加速度为1000~ 50000m/s2。适当提高加速度有利于提高产物的分离效果，但加速度过大容易使某些对离心 力敏感的原料成分出现偏析。
[0019] 步骤S2中，反应完毕后产物分离为两层，上层为氧化铝陶瓷，下层为WNbTaMoV高熵 合金。
[0020] 所述粉末压坯压制过程的压强为30~40MPa。压坯压制过程压强太小时，获得的压 坯含有过多气孔，造成反应过程发生喷溅，所述WNbTaMoV高熵合金收率及致密度降低;压坯 压制过程压强太大不便于操作。
[0021] 将燃烧合成技术中的铝热反应与超重力场分离技术相结合，除起始需少量能量引 发反应外，整个反应过程无需外加能源加热。
[0022] 制备所述WNbTaMoV高熵合金所用时间小于30min。
[0023]另外注意的是，如果没有特别说明，本发明所记载的任何范围包括端值以及端值 之间的任何数值以及以端值或者端值之间的任意数值所构成的任意子范围。
[0024]本发明的有益效果如下：
[0025]本发明的WNbTaMoV高熵合金具有典型的单一的体心立方结构，无明显界面及气 孔、裂纹等缺陷，相对密度可达理论密度的99.9%以上。
[0026]本发明的WNbTaMoV高熵合金的制备方法将燃烧合成技术中的铝热反应与超重力 场分离技术相结合，制备过程无污染，低能耗。
[0027] 本发明的WNbTaMoV高熵合金的制备方法可快速制备WNbTaMoV高熵合金，整个制备 过程时间小于30min。
【附图说明】：
[0028] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步详细的说明。
[0029]图1示出了本发明实施例2制备的WNbTaMoV高熵合金的X射线衍射图谱。
[0030]图2示出了本发明实施例2制备的WNbTaMoV高熵合金的扫描电子显微镜图。
[0031]图3示出了本发明实施例2制备的WNbTaMoV高熵合金的能谱图。
【具体实施方式】
[0032] 为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说 明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此 限制本发明的保护范围。
[0033] 实施例1
[0034] 将103、他205、了&205、1〇0 3、￥的粉末和六1粉充分混合均匀并干燥，得铝热剂;所述铝 热剂中各原料粉体原子摩尔比为w: Nb: Ta: Mo: V: A1 = 2:2: 2: 2: 2:14;将所述铝热剂粉末自 然松装放入石墨坩埚中，再将所述石墨坩埚置于加速度为l〇〇〇〇m/S 2的超重力场中，以电点 火方式诱发铝热反应;反应完毕后产物产物自然分为两层，上层为多孔的氧化铝陶瓷层，下 层为残留氧化铝陶瓷的WNbTaMoV高熵合金，所述WNbTaMoV高熵合金中残留部分氧化铝杂 质。剥离上层的氧化铝陶瓷，得下层含有较多氧化铝杂质的WNbTaMoV高熵合金。
[0035] 实施例2
[0036] 将103、他205、了&205、1〇0 3、￥的粉末和41粉充分混合均匀并干燥，得铝热剂;所述铝 热剂中各原料粉体原子摩尔比为W: Nb: Ta:Mo: V: A1 = 2:2: 2:2:2:14;将所述铝热剂以35MPa 压强压制成粉末压坯，然后将所述粉末压坯装入石墨坩埚中，再将所述石墨坩埚置于加速 度为10000m/S 2的超重力场中，以电点火方式诱发铝热反应;反应完毕后产物自然分为两 层，上层为氧化铝陶瓷，下层为WNbTaMoV高熵合金，所述WNbTaMoV高熵合金的上层残留少量 氧化铝杂质。剥离上层的氧化铝陶瓷，除去所述WNbTaMoV高熵合金上层的氧化铝杂质，得下 层WNbTaMoV高熵合金。
[0037]由图1示出的WNbTaMoV高熵合金的X射线衍射图谱分析晶面指数可知，所述 WNbTaMoV高熵合金的晶体结构为单一的体心立方结构。由图2示出的WNbTaMoV高熵合金的 扫描电子显微镜图及图3示出的WNbTaMoV高熵合金的能谱图可知，所述WNbTaMoV合金无明 显气孔及杂质，相对密度可达理论密度的99.9%以上。
[0038] 分析图3示出的WNbTaMoV高熵合金的能谱图可知，所述WNbTaMoV高熵合金中各元 素的含量见表1。
[0039] 表1所述WNbTaMoV高熵合金中各元素的含量
[0041 ] 实施例3
[0042] 将103、他205、了&205、1〇0 3、￥的粉末和六1粉充分混合均匀并干燥，得铝热剂;所述铝 热剂中各原料粉体原子摩尔比为w: Nb: Ta:Mo: V: A1 = 2:2: 2:2:2:15;将所述铝热剂以35MPa 压强压制成粉末压坯，然后将所述粉末压坯装入石墨坩埚中，再将所述石墨坩埚置于加速 度为lOOOOm/s2的超重力场中，以电点火方式诱发铝热反应;反应完毕后产物自然分离为两 层，上层为氧化铝陶瓷，下层为WNbTaMoV高熵合金，所述WNbTaMoV高熵合金的上层残留少量 氧化铝杂质。剥离上层氧化铝陶瓷，除去所述WNbTaMoV高熵合金上层氧化铝杂质，得下层 WNbTaMo V高熵合金。所述WNb TaMo V高熵合金的晶体结构为单一的体心立方结构。所述 WNbTaMoV高熵合金无明显气孔及杂质，相对密度可达理论密度的99.9 %以上，所述高熵合 金中的每种元素占合金总质量的5 %~35 %。
[0043] 实施例4
[0044] 将103、他205、了&205、1〇0 3、￥的粉末和41粉充分混合均匀并干燥，得铝热剂;所述铝 热剂中各原料粉体原子摩尔比为W: Nb: Ta:Mo: V: A1 = 2:2: 2:2:2:16;将所述铝热剂以35MPa 压强压制成粉末压坯，然后将所述粉末压坯装入石墨坩埚中，再将所述石墨坩埚置于加速 度为lOOOOm/s2的超重力场中，以电点火方式诱发铝热反应;反应完毕后产物自然分离为两 层，上层为氧化铝陶瓷，下层为WNbTaMoV高熵合金，所述WNbTaMoV高熵合金的上层残留少量 氧化铝杂质。剥离上层氧化铝陶瓷，除去所述WNbTaMoV高熵合金上层氧化铝杂质，得下层 WNbTaMo V高熵合金。所述WNb TaMo V高熵合金的晶体结构为单一的体心立方结构。所述 WNbTaMoV高熵合金无明显气孔及杂质，相对密度可达理论密度的99.9 %以上，所述高熵合 金中的每种元素占合金总质量的5 %~35 %。
[0045] 实施例5
[0046] 将103、他205、了&205、1〇0 3、￥的粉末和41粉充分混合均匀并干燥，得铝热剂;所述铝 热剂中各原料粉体原子摩尔比为W: Nb: Ta:Mo: V: A1 = 2:2: 2:2:2:15;将所述铝热剂以35MPa 压强压制成粉末压坯，然后将所述粉末压坯装入石墨坩埚中，再将所述石墨坩埚置于加速 度为30000m/s2的超重力场中，以电点火方式诱发铝热反应;反应完毕后产物自然分离为两 层，上层为氧化铝陶瓷，下层为WNbTaMoV高熵合金，所述WNbTaMoV高熵合金的上层残留少量 氧化铝杂质。剥离上层氧化铝陶瓷，除去所述WNbTaMoV高熵合金上层氧化铝杂质，得下层 WNb T aMo V高熵合金。所述WNb TaMo V高熵合金的晶体结构为单一的体心立方结构。所述 WNbTaMoV高熵合金无明显气孔及杂质，相对密度可达理论密度的99.9 %以上，所述高熵合 金中的每种元素占合金总质量的5 %~35 %。
[0047] 实施例6
[0048] 将103、他205、了&205、1〇0 3、￥的粉末和六1粉充分混合均匀并干燥，得铝热剂;所述铝 热剂中各原料粉体原子摩尔比为w: Nb: Ta:Mo: V: A1 = 2:2: 2:2:2:16;将所述铝热剂以35MPa 压强压制成粉末压坯，然后将所述粉末压坯装入石墨坩埚中，再将所述石墨坩埚置于加速 度为50000m/s2的超重力场中，以电点火方式诱发铝热反应;反应完毕后产物自然分离为两 层，上层为氧化铝陶瓷，下层为WNbTaMoV高熵合金，所述WNbTaMoV高熵合金的上层残留少量 氧化铝杂质。剥离上层氧化铝陶瓷，除去合金层上层氧化铝杂质，得下层WNbTaMoV高熵合 金。所述WNbTaMoV高熵合金的晶体结构为单一的体心立方结构。所述WNbTaMoV高熵合金无 明显气孔及杂质，相对密度可达理论密度的99.9%以上，所述高熵合金中的每种元素占合 金总质量的5%~35%;沿远离离心机旋转中心的超重力方向上，元素 V的含量在10%~ 16%内逐渐降低，且V元素在沿超重力方向出现成分偏析现象。
[0049] 上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实 施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本 发明的保护范围之列。
【主权项】
1. 一种WNbTaMoV高熵合金，其特征在于，所述WNbTaMoV高熵合金由W、Nb、Ta、Mo、和V元 素组成;所述WNbTaMoV高熵合金为单一的体心立方结构。2. -种如权利要求1所述的WNbTaMoV高熵合金的制备方法，其特征在于，包括如下步 骤： Sl:将W和/或其氧化物、Nb和/或其氧化物、Ta和/或其氧化物、Mo和/或其氧化物、V和/ 或其氧化物的干燥粉末和Al粉混合，且所述干燥粉末中至少包括一种含有1、他3&、1〇，元 素的氧化物，获得铝热剂； S2:将所述铝热剂压制成粉末压坯，然后将所述粉末压坯装入石墨坩埚中，再将所述石 墨坩埚置于超重力场中，发生铝热反应;反应完毕后产物分离为两层，剥离上层的氧化铝陶 瓷得所述的WNbTaMoV高熵合金。3. 根据权利要求2所述的WNbTaMoV高熵合金的制备方法，其特征在于，所述含有W、Nb、 Ta、Mo、V 元素的氧化物分别为 WO3、Nb2O5、Ta2O5、MoO 3 和 V2O5。4. 根据权利要求2所述的WNbTaMoV高熵合金的制备方法，其特征在于，所述的超重力场 是通过高速离心旋转产生的，所述超重力场的加速度为1000~50000m/s 2。5. 根据权利要求2所述的WNbTaMoV高熵合金的制备方法，其特征在于，所用各原料粉体 的原子摩尔比为 W:Nb:Ta:Mo:V:Al = 2:2:2:2:2:14~20〇6. 根据权利要求2所述的的WNbTaMoV高熵合金的制备方法，其特征在于，所述粉末压坯 压制过程的压强为30~40MPa。
【文档编号】C22C1/05GK105886812SQ201610248764
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月20日
【发明人】李江涛, 杨增朝, 刘光华, 贺刚, 杨潇, 郭世斌
【申请人】中国科学院理化技术研究所