一种四元高熵合金粉末及其制备方法

1.本发明涉及一种四元高熵合金粉末及其制备方法，具体涉及一种高结构稳定性的高比强度过渡金属四元高熵合金粉末及其制备方法，属于高熵合金粉末冶金的技术领域。


背景技术：

2.高熵合金(heas)作为一种新型的合金材料，因其组成与组分浓度的可调控性，成为一种可代替传统合金材料的潜在金属材料。目前，已有报道的高熵合金主要分为体心立方(bcc)和面心立方(fcc)结构，并且通过对高熵合金中某种元素的浓度进行调控可对其结构构型进行调控。随着高熵合金材料应用领域的拓宽，在航天、航空等领域也有了较多应用。然而，航天航空领域对材料的密度有较高的要求，通过降低材料密度，达到提高整体能耗比，以及运行成本可控的目的。然而现有的高熵合金体系很难平衡强度和质量的关系，其比强度难以超过部分传统高比强度合金。因此，提供一种高结构稳定性以及高比强度的高熵合金及其制备方法，应对现有航天航空领域对材料的苛刻要求是十分必要的。


技术实现要素：

3.本发明为了解决现有上述技术问题，提供一种高结构稳定性的高比强度过渡金属四元高熵合金粉末及其制备方法。
4.本发明的技术方案：
5.本发明的目的之一是提供一种高结构稳定性的高比强度过渡金属四元高熵合金粉末，按原子百分比计包括：fe20％～30.77％，cr20％～30.77％，al20％～30.77％，ti7.69％～40％，其中fe、cr和al的原子摩尔百分比的比为1：1：1，且各组分原子百分比的总和为100at％。
6.进一步限定，fe、cr、al和ti的原子摩尔百分比的比为1：1：1：2。
7.进一步限定，fe、cr、al和ti的原子摩尔百分比的比为1：1：1：1.5。
8.进一步限定，fe、cr、al和ti的原子摩尔百分比的比为1：1：1：0.5。
9.进一步限定，该四元高熵合金粉末为单相bcc结构。
10.本发明的目的之二是提供一种上述高结构稳定性的高比强度过渡金属四元高熵合金粉末的制备方法，该方法为将原料铁粉、铬粉、铝粉和钛粉混合，置于球磨罐中，加入氧化锆球进行高能球磨处理，得到单相bcc结构的四元高熵合金粉末。
11.进一步限定，铁粉、铬粉、铝粉和钛粉的粒径为15μm～150μm。
12.进一步限定，铁粉、铬粉、铝粉和钛粉的纯度≥99.99wt.％。
13.进一步限定，氧化锆球质量和原料总质量的比为(5～40)：1。
14.进一步限定，氧化锆球直径为2mm～20mm。
15.进一步限定，高能球磨转速为300rpm～800rpm。
16.进一步限定，高能球磨处理方式为间歇式，每运行5min～60min，停止0min～30min，总处理时间不少于40h。
17.进一步限定，可以使用钢球替换氧化锆球进行高能球磨处理。
18.本发明提供一种包含fecralti的高比强度过渡金属四元高熵合金，利用第四周期过渡金属质量较低的特性，以及ti元素，来调控高熵合金的硬度以及比强度。并且利用高能球磨的高动能冲击以及fe-cr合金的晶格包容性，将ti和al元素固溶在bcc晶格中，形成均匀分散的高熵合金粉末。与现有技术相比，至少具有以下优点：
19.(1)本发明利用过渡金属fe、cr、ti以及al低密度特点，以及cr和ti具有的高硬度性能，制备获得具有高比强度的过渡金属四元高熵合金。此外，ti还具有优异的耐环境腐蚀性能，有效提高了过渡金属四元高熵合金的耐腐蚀性能。
20.(2)本发明提供高熵合金实现了质量与硬度的平衡，兼具密度低，硬度高以及耐腐蚀的特定。
附图说明
21.图1为不同实施例制备的fecralti四元高熵合金粉末的xrd图；
22.图2为实施例1制备的fecralti四元高熵合金粉末的sem图；
23.图3为实施例1制备的fecralti四元高熵合金粉末的eds图；
24.图4为本发明制备的fecralti四元高熵合金粉末的理论模型，其中(a)ti-0.5，(b)ti-2。
具体实施方式
25.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
26.下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。
27.实施例1：
28.(1)按照摩尔比进行fecralti四元高熵合金粉末配比：fe 20％、cr 20％、al 20％、ti 40％，采用电子天平称取各金属粉末。
29.各个金属元素粉末来源列于下表
30.名称分子式纯度粒径/μm生产厂家铁粉fe99.99％20上海攀田纳米粉体铬粉cr99.99％20上海攀田纳米粉体铝粉al99.99％20上海攀田纳米粉体钛粉ti99.99％20上海攀田纳米粉体
31.(2)将上述称取的金属粉末总质量与氧化锆球质量按1：15的质量比配比后放入氧化锆球磨罐中。其中氧化锆球尺寸为2μm。
32.(3)使用行星式球磨机进行球磨，球磨转速为400rpm，球磨方式为间歇式，每运行25min，停止20min，总处理时间为40h，得到fecralti高熵合金粉末，简称为ti-2。
33.表征和测试：
34.①
xrd测试，结果如图1中ti-2曲线所示，证明获得的粉末为高熵合金，且该高熵合金粉末ti-2是单一的bcc相。
35.②
sem测试，结果图2所示，由图2可知，视野内的合金颗粒大小存在差异，这是由于高熵的高混乱度导致不同部位的元素含量存在微小差距，这导致其硬度也发生改变，因此在相同工艺下，其形貌和粒径存在差距。但是经对比发现，此现象不影响实际使用。且eds表征结果如图3所示，图3也进一步证明不同位置的元素分布存在细微不同，但是整体上各个元素是均匀分布的。说明通过高能球磨已经形成一种稳定的四元高熵合金粉末。
36.实施例2：
37.(1)按照摩尔比进行fecralti四元高熵合金粉末配比：fe 30.77％、cr 30.77％、al30.77％、ti 7.69％，采用电子天平称取各金属粉末。
38.各个金属元素粉末来源列于下表
39.名称分子式纯度粒径/μm生产厂家铁粉fe99.99％25上海攀田纳米粉体铬粉cr99.99％25上海攀田纳米粉体铝粉al99.99％25上海攀田纳米粉体钛粉ti99.99％25上海攀田纳米粉体
40.(2)将上述称取的金属粉末总质量与氧化锆球质量按1：10的质量比配比后放入氧化锆球磨罐中。其中氧化锆球尺寸为13μm。
41.(3)使用行星式球磨机进行球磨，球磨转速为450rpm，球磨方式为间歇式，每运行20min，停止10min，总处理时间为50h，得到fecralti高熵合金粉末，简称为ti-1.5。
42.表征和测试：
43.①
xrd测试，结果如图1中ti-1.5曲线所示，证明获得的粉末为高熵合金，且该高熵合金粉末ti-1.5是单一的bcc相。
44.实施例3：
45.(1)按照摩尔比进行fecralti四元高熵合金粉末配比：fe 26.67％、cr 26.67％、al26.67％、ti 19.99％，采用电子天平称取各金属粉末。
46.各个金属元素粉末来源列于下表
47.名称分子式纯度粒径/μm生产厂家铁粉fe99.99％45上海攀田纳米粉体铬粉cr99.99％45上海攀田纳米粉体铝粉al99.99％45上海攀田纳米粉体钛粉ti99.99％45上海攀田纳米粉体
48.(2)将上述称取的金属粉末总质量与氧化锆球质量按1：20的质量比配比后放球磨罐中。其中不锈钢球尺寸为6μm。
49.(3)使用行星式球磨机进行球磨，球磨转速为500rpm，球磨方式为间歇式，每运行15min，停止0min，总处理时间为20h，得到fecralti高熵合金粉末，简称为ti-1。
50.表征和测试：
51.①
xrd测试，结果如图1中ti-1曲线所示，证明获得的粉末为高熵合金，且该高熵合金粉末ti-1是单一的bcc相。
52.效果例：
53.对比图1中不同曲线可知，本发明提供的工艺条件可以成功制备出以bcc结构为主的高熵合金粉末，并且调控球磨时间可改变合金化程度，如部分小峰消失，表明合金化程度增加。并且在相同球磨工艺下，实施例1的样品半峰宽最大，并且峰强度也最低。由于高熵合金的晶格畸变作用，导致x射线的折射角度发生变化，因此显示出强度和峰宽的改变。这也说明此浓度下的合金化程度达到最佳。
54.按照gb/t 5161-201的要求对不同实施例获得的四元高熵合金粉末的密度进行测试，粉末密度测试结果如下表1所示，通过密度结果可知，随着ti含量的增加，涂层的密度也随之减小。这是因为ti本身为一种低密度的合金，其含量的增加可有效降低高熵合金粉末的密度。
55.按照sis 110178-1964的要求对不同实施例获得的四元高熵合金粉末的硬度进行测试，结果如下表1所示，随着ti的增加，高熵合金粉末的硬度也随之增加。这是因为ti作为一种高硬度金属，可通过高熵合金的鸡尾酒效应增加整体硬度，因此硬度随ti含量的增加而增加。且由表1可知，上述实施例获得四元高熵合金粉末具有高比强度(比强度指密度和硬度的比值)。
56.表1
57.实例密度(g/cm3)硬度(hb)15.11152611036.5105
58.将上述实施例获得四元高熵合金粉末置于3.5wt.％nacl中200h，计算腐蚀前后质量变化率。高熵合金粉末的腐蚀质量变化率结果如下表2所示，由表2可知，随着ti含量的增加，耐腐蚀性能也随之增加。这是因为ti在腐蚀环境下可快速生成一层致密的氧化膜，阻止腐蚀的继续发生。
59.表2
60.实例质量变化(％)11.722.334.9
61.本发明制备比强度fecralti高熵合金粉末的理论模型如图4所示，通过高比强度fecralti高熵合金粉末的结构模型可知，随着ti元素的增加，整个合金体系的结构依旧保持稳定。
62.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，鉴于本发明所属领域的技术人员可以对上述实施方式进行适当的变更和修改，因此，本发明并不局限于上面所述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围之内。