一种含非晶纳米晶高熵合金粉末及其制备方法

摘要

本发明涉及一种含非晶纳米晶高熵合金粉末及其制备方法。高熵合金涂层成分按近等原子百分比组成如下：Al：14.3%、Fe：14.3%、Co：14.3%、Ni：14.3%、Cr：14.3%、Mo:14.3%、Si：14.2%，总百分比为100%。制备方法按以下步骤进行：一、采用中频感应熔炼工艺制备高熵合金母合金，具体步骤如下：将称量好的各金属原材料按熔点由低到高的顺序依次放入金刚砂坩埚中，然后抽真空至气压低于6.0×10-2MPa；充入氩气，在氩气压为3×10-2Pa条件下开始熔炼，熔炼电流为75A，熔炼时间为25min，辅以电磁搅拌减少合金成分偏析，完全熔合后浇铸到镁砂模壳中，得到成分均匀的高熵合金母合金；采用气雾化设备制备高熵合金粉末材料。本发明用于制备含非晶纳米晶的高熵合金涂层或性能更优异的块体合金材料。

说明书

技术领域

本发明涉及一种含非晶纳米晶高熵合金粉末及其制备方法，可用于制备 综合性能优越的高熵合金涂层及块体材料。

背景技术

高熵合金是在块体非晶合金的基础上发展起来的一种新型合金体系，由 不低于5种主要元素组成，其中每种元素都占有较高的百分比，没有任何一 种元素原子百分比超过50%，可视为原子尺度上的复合材料，易于形成简单 固溶体，铸态即可析出纳米相甚至非晶相，使合金获得高强度、高硬度、高 耐蚀性、高耐热性、特殊的电、磁学性质等特性，具有广泛的应用前景。气 雾化法是制备金属粉末的主要方法之一，具有冷却速率高、粉末粒度可控、 氧含量低、球形度好、污染少等特点。通常需要冷却速率大于10³K/s时，才 能保留金属液态组织形成非晶相。本发明将高熵合金特性和气雾化快速凝固 特点有机结合，使合金在较小冷却速率条件下即可析出纳米相和非晶相。目 前已采用机械合金化法制备了高熵合金粉末材料，但由于机械合金化法制备 的粉末球形度不高，不适用于喷涂材料，应用范围较窄，而采用气雾化快速 凝固技术制备含非晶纳米晶的高熵合金粉末材料尚未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含非晶纳米晶的高熵合金粉末及其制备方 法，其特征在于合金成分按等原子百分比组成，其中Al：14.3%、Fe：14.3%、 Co：14.3%、Ni：14.3%、Cr：14.3%、Mo:14.3%、Si：14.2%，总百分比为 100%。

按熔点由低到高的顺序依次放入金刚砂坩埚中，然后抽真空至气压低于6 ×10^-2MPa，充入氩气，在氩气压为3×10^-2Pa条件下开始熔炼，熔炼电流为 75A，熔炼时间为25min，引入电磁搅拌以减少合金成分偏析。熔炼完成后， 将合金溶液浇铸到镁砂模壳中，得到成分均匀的高熵合金母合金。

将高熵合金母合金用雾化设备中的感应线圈加热至熔化，保持过热，并 形成直径为4-6mm的金属液流，同时通过环形喷嘴通入氮气，气流压力为 0.4-0.6MPa，气流速度为280-300m/s，高速气流冲击金属液流，破坏金属原子 间的结合力，将气流动能转化为液滴表面能，即得到高熵合金粉末材料。

采用气雾化快速凝固技术制备，在小于10³K/s的冷却速率条件下，析出 纳米相及非晶相，获得以简单固溶体为基体，纳米晶和非晶为强化相的粉末 材料。粉末组织成分均匀、流动性好、氧含量低，可用于制备综合性能优越 的高熵合金涂层及块体材料。

上述7种主要元素混合后产生高熵效应、晶格畸变、迟滞扩散及元素性 能的复合效应促进合金具有简单的固溶体结构，由于存在固溶强化、析出强 化、弥散强化机制，使合金具有较高的强度和硬度。气雾化快速凝固工艺具 有较高冷却速率，可抑制原子扩散及再分配，减少成分偏析，提高合金固溶 度，使得合金组织及成分更均匀。采用高纯氮气作为雾化介质，避免了雾化 过程中金属液的氧化，制得的高熵合金粉末更纯净，同时避免了环境污染， 且可通过调整氮气压力和流速，来控制粉末粒度，提高粉末收得率。

本发明进一步优化了合金组织和性能，可获得不同粒度分布的粉末材料， 可通过热喷涂技术制备综合性能优越的高熵合金涂层或粉末冶金工艺制备高 熵合金块体材料，充分发挥高熵合金材料的潜能，拓宽高熵合金的应用范围。

附图说明

附图1为实施例一的高熵合金粉末材料SEM图

附图2为实施例一的高熵合金粉末材料X射线衍射图谱

附图3为实施例一的高熵合金粉末应用效果图

附图4为实施例一的高熵合金涂层XRD图谱

附图5为实施例一的高熵合金涂层非晶相TEM明场像、高分辨率像及选 区衍射花样

附图6为实施例一的高熵合金涂层纳米相TEM明场像、暗场像及选区衍 射花样

具体实施方式

本发明通过如下措施来实现：

实施例一：

1）将去除杂质及氧化膜的金属原材料按近等原子百分比称量，总百分比 为100%，其中Al：14.3%、Fe：14.3%、Co：14.3%、Ni：14.3%、Cr：14.3%、 Mo:14.3%、Si：14.2%，总百分比为100%，按熔点由低到高的顺序依次放入 金刚砂坩埚中，然后抽真空至气压低于6×10^-2MPa，充入氩气，在氩气压为3 ×10^-2Pa条件下开始熔炼，熔炼电流为75A，熔炼时间为25min，引入电磁搅 拌以减少合金成分偏析。熔炼完成后，将合金溶液浇铸到镁砂模壳中，得到 成分均匀的高熵合金母合金。

2）将高熵合金母合金用雾化设备中的感应线圈加热至熔化，保持过热， 并形成直径为4mm的金属液流，同时通过环形喷嘴通入氮气，气流压力为 0.4MPa，气流速度为280m/s，高速气流冲击金属液流，破坏金属原子间的结 合力，将气流动能转化为液滴表面能，即得到高熵合金粉末材料，如图1为 高熵合金粉末材料SEM图，粉末颗粒均呈球形。利用XRD分析其相组成， 如图2为XRD射线衍射图谱，可发现衍射峰宽化。利用Scherrer公式（其中 常数取0.89，λ取0.154056nm）计算出粉末平均晶粒尺寸小于40nm。

粉末材料经筛分，得到粒径范围在-200～+800目之间，小于70μm的粉末 颗粒体积达90%的喷涂材料。采用冷喷涂技术，在经过喷砂粗化的ZM5镁合 金基体上制备冷喷涂涂层，喷涂距离15cm，送粉速率150g/min，气体温度 450℃，气体压力3.2MPa，喷涂时间2min，制备高熵合金涂层厚度为0.3mm， 硬度HV_0.2为700。涂层组织致密，与基体结合良好，结合强度为50MPa，涂 层SEM形貌如图3所示。采用X射线衍射对涂层相组成进行分析，结果表明 涂层主要简单体心立方结构固溶体，且衍射峰宽化，如图4所示。利用TEM 观察涂层，可发现涂层含有非晶相，如图5（a）为非晶相TEM明场像，（b） 为非晶相高分辨率图像，（c）为非晶相选区衍射花样，由弥散的同心圆环组 成，为典型非晶衍射花样。图6（a）为涂层中纳米相明场像，（b）为纳米相 暗场像，（c）为纳米相选区衍射花样，由明锐的同心圆环组成，为典型纳米 晶衍射花样。利用HVS-1000型数显显微硬度计测试涂层的显微硬度为 HV_0.2700。

实施例二：

1）将去除杂质及氧化膜的金属原材料按近等原子百分比称量，总百分比 为100%，其中Al：14.3%、Fe：14.3%、Co：14.3%、Ni：14.3%、Cr：14.3%、 Mo:14.3%、Si：14.2%，总百分比为100%，按熔点由低到高的顺序依次放入 金刚砂坩埚中，然后抽真空至真空度低于6×10^-2MPa，充入氩气，在氩气压 为3×10^-2Pa条件下开始熔炼，熔炼电流为75A，熔炼时间为25min，引入电 磁搅拌以减少合金成分偏析。熔炼完成后，将合金溶液浇铸到镁砂模壳中， 得到成分均匀的高熵合金母合金。

2）将高熵合金母合金用雾化设备中的感应线圈加热至熔化，保持过热， 并形成直径为5mm的金属液流，同时通过环形喷嘴通入氮气，气流压力为 0.5MPa，气流速度为290m/s，高速气流冲击金属液流，破坏金属原子间的结 合力，将气流动能转化为液滴表面能，即得到高熵合金粉末材料，利用场发 射扫描电镜和XRD衍射仪分析结果与实施例一相似。

粉末材料经筛分，得到粒径范围在-200～+800目之间，小于70μm的粉末 颗粒体积达90%的喷涂材料。采用冷喷涂技术，在经过喷砂粗化的ZM5镁合 金基体上制备冷喷涂涂层，喷涂距离20cm，送粉速率165g/min，气体温度 500℃，气体压力4MPa，喷涂时间3min，制备高熵合金涂层厚度为0.4mm， 硬度HV_0.2为718。涂层组织致密，与基体结合良好，结合强度为62MPa。利 用HVS-1000型数显显微硬度计测试涂层的显微硬度为HV_0.2718。涂层SEM 显微形貌、XRD衍射图谱及透射电镜分析结果与实施例1相似。

实施例三：

1）将去除杂质及氧化膜的金属原材料按近等原子百分比称量，总百分比 为100%，其中Al：14.3%、Fe：14.3%、Co：14.3%、Ni：14.3%、Cr：14.3%、 Mo:14.3%、Si：14.2%，总百分比为100%，按熔点由低到高的顺序依次放入 金刚砂坩埚中，然后抽真空至真空度低于6×10^-2MPa，充入氩气，在氩气压 为3×10^-2Pa条件下开始熔炼，熔炼电流为75A，熔炼时间为25min，引入电 磁搅拌以减少合金成分偏析。熔炼完成后，将合金溶液浇铸到镁砂模壳中， 得到成分均匀的高熵合金母合金。

2）将高熵合金母合金用雾化设备中的感应线圈加热至熔化，保持过热， 并形成直径为6mm的金属液流，同时通过环形喷嘴通入氮气，气流压力为 0.6MPa，气流速度为300m/s，高速气流冲击金属液流，破坏金属原子间的结 合力，将气流动能转化为液滴表面能，即得到高熵合金粉末材料，利用场发 射扫描电镜和XRD衍射仪分析结果与实施例一相似。

粉末材料经筛分，得到粒径范围在-200～+800目之间，小于70μm的粉末 颗粒体积达90%的喷涂材料。采用冷喷涂技术，在经过喷砂粗化的ZM5镁合 金基体上制备冷喷涂涂层，喷涂距离25cm，送粉速率180g/min，气体温度 600℃，气体压力5MPa，喷涂时间4min，制备高熵合金涂层厚度为0.5mm， 硬度HV_0.2为721.8。涂层组织致密，与基体结合良好，结合强度为70MPa。 利用HVS-1000型数显显微硬度计测试涂层的显微硬度为HV_0.2721。涂层SEM 显微形貌、XRD衍射图谱及透射电镜分析结果与实施例1相似。