[发明专利]一种难熔高熵合金/碳化钛复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于复合材料制备领域，尤其涉及一种原位生成的难熔高熵合金/碳化钛复合材料及其制备方法。

背景技术

高熵合金是多种主要元素共同构成的新型合金，具有高混合熵、高晶格畸变、元素扩散过程缓慢等特点，因此，其具有优异的力学性能，例如高硬度、高耐磨性、高耐蚀性等，有很高的学术研究价值和工业应用潜力，引起了材料研究者的广泛关注。其中高温结构用难熔金属高熵合金得到了广泛研究。难熔高熵合金高温力学性能优异，在航空航天、核能及加工制造等领域中有广阔的应用前景。

现有高熵合金复合材料主要的制备方法有熔炼铸造法、粉末冶金法、自蔓延合成法等，其中熔炼铸造方法制备的复合材料微观结构不均匀，自蔓延合成法受制于材料的成分，粉末冶金法制备的复合材料性能稳定，组织均匀，所得复合材料力学性能良好。

现有高熵合金复合材料多以低熔点金属所组成的BCC或FCC单相高熵合金作为基体，添加金属碳化物或氮化物作为增强相，来提高材料的力学性能，但是这种高熵合金基体高温下软化严重，随着温度的升高，力学性能迅速变差，不能满足高温环境下的服役要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种原位生成的难熔高熵合金/碳化钛复合材料及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种难熔高熵合金/碳化钛复合材料，以难熔高熵合金为基体相，以碳化钛为增强相；其中所述难熔高熵合金中的元素选自W、Mo、Ta、Nb、V、Ti、Zr、Hf、Cr元素中的至少四种。

上述的复合材料，优选的，所述难熔高熵合金中各元素的摩尔量相等或接近相等；所述增强相碳化钛的摩尔量为难熔高熵合金中各金属元素的摩尔量之和。

上述的复合材料，优选的，所述基体相和增强相的体积比为(9:1)～(1:9)。

作为一个总的发明构思，本发明还提供一种上述的复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)选取碳化钨、碳化钼、碳化钽、碳化铌、碳化钒、碳化钛、碳化铪、碳化锆、碳化铬中的至少四种碳化金属粉，以等摩尔或接近等摩尔比混合形成高熵基体粉末；

(2)将所述高熵基体粉末与钛粉末混合后进行机械化合金，得到机械化合金粉末；

(3)对所述机械化合金粉末进行放电等离子烧结或热压烧结，即得到所述难熔高熵合金/碳化钛复合材料。

上述的制备方法，优选的，所述机械化合金过程在高能球磨机中进行，球磨过程中加入占高熵基体粉末与钛粉末总质量0.6％～0.8％的硬脂酸作为过程控制剂，并控制整个球磨过程在氩气气氛中进行。

上述的制备方法，优选的，所述球磨机的工艺参数为：球料质量比为(10:1)～(5:1)，球磨机转速为200～300r/min，球磨时间为4～60h。

上述的制备方法，优选的，所述放电等离子烧结工艺参数为：真空度<20Pa，升温速率为50～100℃/min，烧结温度为1200～1500℃，保温时间为5～60min，烧结压力为20～50MPa。

上述的制备方法，优选的，所述热压烧结工艺参数为：烧结温度1300℃～1550℃，保温时间为30min～120min，烧结时施加压力20MPa～100MPa，烧结时的真空度<10Pa。

上述的制备方法，优选的，所述钛粉的粒度为-100～-400目；钛粉的纯度不低于99.5wt.％。

上述的制备方法，优选的，所述碳化钨、碳化钼、碳化钽、碳化铌、碳化钒、碳化钛、碳化铪、碳化锆和碳化铬粉体的平均粒径均为1～2微米，纯度均不低于99.5wt.％。

本发明选取的高熵合金至少含有四种主要元素，并且各主要元素等摩尔比或接近等摩尔比，合金体系的混合熵最大，得到的高熵合金具有高强度、高硬度、高耐磨性和高温性能优异等特点。本发明制备的难熔高熵合金具有单相BCC结构，是理想的耐高温材料。

本发明利用难熔高熵合金为基体，利用原位生成碳化钛颗粒的方法制备了难熔高熵合金/碳化钛复合材料，由于采用原位生成法合成碳化钛，增强相与基体相之间产生稳定而有效的结合界面，解决了复合材料常见的基体与增强体难以生成有效结合界面的问题；同时利用难熔高熵合金自身有较好的力学性能，利用碳化钛高硬度，低密度，低成本的优点，实现提高材料硬度的同时降低材料的密度和成本；并且由于碳化钛有很高的热稳定性，可以在很高的温度下进行烧结，获得烧结质量好的复合材料，使该复合材料的高温性能超过原有的难熔高熵合金，满足做高温结构件的要求。