一种具有体心立方结构四元高熵合金粉末及其制备方法

摘要

本发明公开了一种具有体心立方结构四元高熵合金粉末及其制备方法，属于粉末冶金技术领域。本发明要解决现有的高能球磨制备的高熵合金粉末存在合金化程度低，匀质性较差以及低产量高成本的问题。本发明方法：将粒径分布均为10微米～100微米的铁粉末、铬粉末、钴粉末和铝粉末混合，然后以300rpm～800rpm的转速进行间歇式球磨至少30h；即得到低成本的元素匀质分布具有BCC的四元高熵合金粉末。本发明方法制备高熵合金粉末保持稳定的bcc结构，四种元素都均匀分布在高熵合金中。本发明应用于冶金领域，金属材料及其制备领域，以及合金加工领域。

说明书

技术领域

本发明属于粉末冶金技术领域，具体地说，涉及一种具有体心立方结构四元高熵合金粉末及其制备方法。

背景技术

高熵合金(HEAs)是基于新合金化策略开发的一类新兴材料。与仅包含一种主要元素的传统材料相比，HEA包含相对较高浓度的多种主要元素。在过去的研究中发现许多HEA在固溶体中表现出简单的晶体结构，例如体心立方(bcc)和面心立方(fcc)，并且一些HEA可以获得显着的机械性能通过调整化学成分和相结构。

高能球磨技术作为一种已知的粉末冶金技术，因其独特的技术特点可制备匀质化的合金粉末。但是，针对四元高熵合金这种新型的合金体系，因为常用的制备工艺制备的HEA粉末常出现偏析现象，导致高熵合金匀质性降低，所以已有的高能球磨制备规律很难适用。

发明内容

由于高熵合金元素分布是不同于传统合金设计理念的，不仅需要将每一种组成元素维持在相对统一的浓度范围，还需要是其充分合金化并维持高熵的状态。因此，高熵合金在制备过程中常常出现某种或没几种元素的分布不均匀，降低合金程度。

本发明要解决现有的高能球磨制备的高熵合金粉末存在合金化程度低，匀质性较差的问题，而提供了一种具有体心立方结构四元高熵合金粉末及其制备方法。

为了实现上述技术问题，本发明采取了以下的技术方案：

本发明的目的在于提供一种具有体心立方结构四元高熵合金粉末的制备方法，具体是将粒径分布均为10～100微米的铁粉末、铬粉末、钴粉末和铝粉末混合，然后以300rpm～800rpm的转速进行间歇式球磨至少30h(总球磨时间控制在30h以上)；即得到低成本的元素匀质分布具有BCC的四元高熵合金粉末。

进一步地限定，所述铁粉末、铬粉末、钴粉末和铝粉末的质量纯度为99.99％。

进一步地限定，间歇式球磨采用的磨球为钢球或者氧化锆球。

进一步地限定，所述磨球直径控制在3mm～10mm。

进一步地限定，间歇式球磨的球料比为5：1～30：1。

进一步地限定，间歇式球磨的球料比为10：1。

进一步地限定，铁粉末、铬粉末、钴粉末和铝粉末比例是1：1：1：(0.5～2)。

进一步地限定，间歇式球磨过程中每运行10min～60min)，停止5min～15min。

上述制备方法制得的四元高熵合金粉末。

本发明优选325目(25微米)的铁、铬、钴和铝粉作为原料，通过行星式高能球磨机，以10：1的球料比，间歇式运作方式(运行10min，停止10min)工作30h。

本发明采用间歇式球磨，并通过控制转速得到一种可制备匀质高熵合金。

本发明在低转速下难以形成高熵合金结构，仅为简单的物理混料。而在较高的转速下，合金粉末极易通过冷焊作用与球磨管/球进行牢固结合，降低产量并增加后续清洗难度。

本发明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Co和Al元素固溶在BCC晶格中，形成均匀分散的高熵合金。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明方法制备高熵合金粉末保持稳定的bcc结构，四种元素都均匀分布在高熵合金中。

本发明通过对球磨工艺进行调控，在保证形成高熵合金的前提下，减少因为冷焊而导致的产量下降，实现一种高效的四元匀质BCC结构高熵合金的制备。

本发明具有产量高、损耗少的特点，从而降低成本。

本发明应用于冶金领域，金属材料及其制备领域，以及合金加工技术领域。

为了能够更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明详细说明与附图，然而所附的附图仅提供参考和说明之用，并非用来对本发明加以限制。

附图说明

图1是实施例1方法得到FeCrCoAl高熵合金粉末的XRD；

图2是实施例1方法得到FeCrCoAl高熵合金粉末的SEM图；

图3是实施例1方法得到FeCrCoAl高熵合金粉末的EDS图；

图4是对比实施例1低转速下得到的FeCrCoAl高熵合金粉末的XRD；

图5是不同转速下得到的FeCrCoAl高熵合金粉末的产量对比以及罐体状态图，左图——对比实施例2，右图——对比实施例1。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

通过下面的实施例，以便更好地理解本发明。但本发明并不限于具体实施方式描述的内容。

实施例1：本实施例中具有体心立方结构四元高熵合金粉末的制备方法是按下述步骤进行的：

将粒径分布均为25微米的质量纯度为99.99％铁粉末、铬粉末、钴粉末和铝粉末混合，移至行星式高能球磨机，然后以400rpm的转速进行间歇式球磨，总球磨时间控制在30h；即得到的四元高熵合金粉末，合金粉末中元素匀质分布；

其中，铁、铬、钴和铝的摩尔比是(1：1：1：0.5)、(1：1：1：1)、(1：1：1：1.5)、(1：1：1：2)；间歇式球磨采用的磨球为直径3mm的钢球，以10：1的球料比、运行10min/停止10min的工作模式运作。

本实施例得到FeCrCoAl高熵合金粉末XRD如图1所示，通过XRD数据可知，通过此工艺条件成功制备出高熵合金粉末，并且保持稳定的bcc结构。本实施例得到FeCrCoAl高熵合金粉末EDS图片如图2和3所示，通过EDS数据可直观的观察到四种元素都均匀分布在高熵合金中，证明通过此球磨工艺成功制出匀质具有BCC结构的四元高熵合金。

实施例2：本实施例与实施例1不同在于，以450rpm的转速进行间歇式球磨；其他步骤和参数与实施例1相同。

实施例3：本实施例与实施例1不同在于，以500rpm的转速进行间歇式球磨；其他步骤和参数与实施例1相同。

对比实施例1：本对比实施例与实施例1不同在于，以200rpm的转速进行间歇式球磨；其他步骤和参数与实施例1相同。

图4可知，较低的转速下，所提供的动能难以将金属(Fe或Cr或Co或Al)的分子结构打开，因此无法形成均一且稳定的高熵合金粉末。

对比实施例2：本对比实施例与实施例1不同在于，以1000rpm的转速进行间歇式球磨；其他步骤和参数与实施例1相同。

图5可知，合金粉末极易通过冷焊作用与球磨管/球进行牢固结合，降低产量，并增加后续清洗难度。

与对比实施例1和2比较可知，转速范围在300～800rpm之间，通过球磨制备的高熵合金产量充足且本发明元素匀质分布，并且产量高、损耗少。