[发明专利]一种含难混溶元素的高熵合金制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及合金材料制备科学领域，特别是涉及含难混溶元素高熵合金的制备方法。

背景技术

公知的高熵合金研究现状：20世纪末，公知的传统合金已经接近成熟及饱和状态，传统合金观念已很难再创造新的合金系统或者说在旧的合金系统中创出新的合金，但高熵合金观念可产生许多合金系统，产生许多有趣的特性。所谓多元(纳米)高熵合金就是多种元素的合金，其中每个主要元素皆具有高的原子百分比，有人定义高熵合金的主要元素数目大于等于5，但其原子百分比都不超过35％。也就是说，高熵合金不像传统合金一样，含有一个50％以上的主要元素。公知的传统合金经验容易使人误认为多个主元素合金将产生多种金属间化合物，不但难以分析而且材质变脆，缺乏应用性。然而通过研究发现，这种经验不适用于高熵合金，因为金属元素多时，高熵效应反而会促进元素间的混合，形成体心立方结构BCC或面心立方结构FCC或非晶结构，而不倾向形成脆性的金属间化合物。公知的Gibbs相率认为，n种元素的合金系统所能产生的平衡相的数目p＝n+1，在非平衡凝固时形成的相数p>n+1，但实际上并非如此，在多主元高熵合金中，n种元素的合金系统仅能形成简单的体心立方结构BCC或面心立方结构FCC或非晶结构等单一的或有限的几种项，并非Gibbs相率预测的相数很多。这种合金的新特点使得该类合金具有很多新的性质，通常具有高温热稳定性、耐蚀性、高强度、高硬度、高抗氧化性质、优异的磁电性能等，并能使合金组分能在很大范围内调整，为金属材料开创了一个新的领域，成为一种极具发展潜力的新兴材料，相关应用有广阔的前景。

传统的固溶体制备都根据平衡相图的相关规则，但实际上很多元素之间不能固溶，一个方面是固溶度限制，另一些则完全不互溶。本课题组的前期研究发现，导致元素之间完全不互溶的主要原因是电子结构和原子性质，而不仅仅是公知的传统认为电负性与原子尺寸等因素。公知的不互溶元素很难形成固溶体，在高熵合金的制备中，很多研究者避开了不混溶元素的添加，如公知的方法提到铸造法，喷射沉积法，快速凝固法等，尤其以快速凝固法为主要手段，因为只有在急冷凝固的过程中才能保证高熵合金中多达5-9种的合金元素不会发生偏析，或者导致金属间化合物形成。国际公知的高熵合金主要研究院所是台湾地区，在国内研究相对较少，或者刚刚起步。

发明内容

本专利提到的高熵合金制备法，可以满足任意元素之间的互溶，从而能解决添加合金仅限于能形成固溶体的元素，为新的特殊成分的高熵合金制备提供可能性，能大大扩展高熵合金的性质和使用范围。本专利的特点在于采用高能球磨的机械合金化法原则上能得到任意组成的合金材料，材料通过高能球磨过程中不断碰撞，冷焊，研磨，再结晶等使得颗粒不断细化，可以得到纳米粉末材料，由于添加的元素之间本身不互溶，形成的合金实际上是一种准混溶的复杂结构，得到的是平衡相图上没有的非平衡相或者组织。由于高能球磨法能使多主元的高熵合金材料组织均匀和晶粒细化，从而使高熵材料具有新的性能和性质，这种方法应用于准混溶体系材料的开发可得到相图上没有的新型非平衡合金相，从而研究开发出区别与传统合金的新型材料。

本发明是具有较强创新性的一种新型含难混溶高熵合金材料制备方法，其目的是提出一种解决不混溶体系高熵合金的制备工艺，达到制备多主元高功能合金(目前被定义为5~13元的多主元合金)，是公知合金之外的另一个合金世界，由于其高温热稳定性、耐蚀性、高强度、高硬度、高抗氧化性质、优异的磁电性能等，是金属材料的一个新领域。本专利以不能形成混溶体系的多种合金元素粉末为原料，解决了高熵合金制备过程中不存在固溶区的合金元素固溶问题，其制备工艺方法合理，使新型高熵合金的使用性质和应用范围大大增加。

本发明是通过下面的方案实现的。采用纯金属粉、纯非金属粉(如硅，硼等)或合金粉末，所占重量百分比和加入的元素根据预定的合金材料要求进行调整，原料按特定要求计算每个合金元素的化学计量比，将经配料后的材料在高能球磨机中进一步细化，机械合金化的过程用氩气保护，将制备的高熵合金粉末在真空中处理，在真空或保护气氛下将粉末装入模具，采用钢模双向压制，并用冷等静压机进一步压制成型，放入烧结炉中在氩气或还原气氛下或真空条件下进行样品烧结。

所述的高熵合金是含多种元素的合金，其中每个主要元素皆具有高的原子百分比，主要元素数目大于等于5，但其原子百分比都不超过35％。

所述的纯金属粉或合金粉在操作过程中需避免氧化，在进行实验操作前需要在氢气或其它还原气氛下退火，保证粉末的纯度。