CN114959404A

CN114959404A - 一种多元高熵合金粉末及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN114959404A
Application number: CN202210529256.6A
Authority: CN
Inventors: 吴晓宏; 卢松涛; 姚忠平; 秦伟; 李杨
Original assignee: Harbin Institute of Technology Shenzhen
Current assignee: Harbin Institute of Technology Shenzhen
Priority date: 2022-05-16
Filing date: 2022-05-16
Publication date: 2022-08-30

Abstract

本发明公开了一种多元高熵合金粉末及其制备方法和应用，属于高熵合金粉末制备技术领域。本发明选用Fe、Cr、Mn、V及Al五种金属元素的混合粉末作为高熵合金粉末的制备原料，通过行星式高能球磨机处理得到体心立方(BCC)固溶体结构，通过加入低熔点的Al金属元素在可以保证得到体心立方(BCC)固溶体的同时，降低球磨处理时间和转速。同时，本发明通过行星式高能球磨机制备高熵合金粉末，使粒径均匀且更加细化。

Description

一种多元高熵合金粉末及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种多元高熵合金粉末及其制备方法和应用，属于高熵合金粉末制备技术领域。

背景技术

基于多主元成分概念的高熵合金(HEA)设计理念在过去十几年中备受关注。HEA通常由至少五种主元元素组成，其具有高熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应和鸡尾酒效应，由于这些作用，众多的HEA出现了一系列优异的性能。HEA一般形成简单的固溶体，如BCC、FCC和HCP固溶体，而不是在金属间化合物。对于传统的单主成分合金，如铝合金、铁和镍基合金，晶格却主要由一种成分的原子占据。HEA的晶格通常被不同组成元素的原子占据。

虽然铸造制备的HEA被广泛使用，但是铸态HEA通常会伴随着一些缺陷，例如相偏析、晶粒粗大、显微组织不均匀等，从而会导致力学性能退化。粉末冶金(PM)策略是解决铸造缺陷的有效解决问题途经。机械合金化(MA)是PM策略中一种特殊的固体粉末合金化方法。在MA过程中，纯金属粉末或预合金粉末会发生严重的塑性变形由于研磨介质的反复剧烈碰撞而产生的压碎，导致组分元素的扩散，从而实现合金化。晶粒通常被急剧细化，大大改善了组分的固溶极限。目前关于球磨参数对MA合成HEA粉末的影响的报道相对较少。因此，提供一种采用MA合成HEA粉末来开拓合金粉末制备方法是十分必要的。

发明内容

本发明为了解决现有上述技术问题，提供一种多元高熵合金粉末及其制备方法和应用。

本发明的技术方案：

一种多元高熵合金粉末，该合金粉末成分为FeCrMnVAl_x高熵合金，其中Fe、Cr、Mn、V和Al的原子百分比的比为1:1:1:1：x，其中x为0～2.0，且各组分的原子百分比总和为100at％。

进一步限定，x为0.5、1.0、1.5或2.0。

一种上述多元高熵合金粉末的制备方法，该方法为：将原料铁粉、铬粉、锰粉、钒粉和铝粉混合，置于球磨罐中，加入氧化锆球进行高能球磨处理，得到体心立方BCC结构的FeCrMnVAl_x高熵合金粉末。

进一步限定，铁粉、铬粉、锰粉、钒粉和铝粉的纯度均为99wt.％。

进一步限定，铁粉、铬粉、锰粉、钒粉和铝粉的初始粒度为100～500目。

进一步限定，铁粉、铬粉、锰粉、钒粉和铝粉的初始粒度为200～325目。

进一步限定，氧化锆球质量和原料总质量的比为1：6。

更进一步限定，氧化锆球的直径为2mm。

进一步限定，高能球磨处理采用行星式球磨机。

更进一步限定，行星式球磨机的转速为400～700rmp。

更进一步限定，行星式球磨机的转速为550-650rpm。

更进一步限定，行星式球磨机的球磨时间为5-20h。

更进一步限定，行星式球磨机的球磨时间为10-20h。

本发明有益效果：

(1)本发明选用Fe、Cr、Mn、V及Al五种金属元素的混合粉末作为高熵合金粉末的制备原料，通过行星式高能球磨机处理得到体心立方(BCC)固溶体结构，Fe、Cr、Mn、V都属于过渡金属元素，在元素周期表中的位置相邻，因此原子半径近似。但是，Al元素不属于过渡金属，并且原子半径比Fe、Cr、Mn、V大，则会促进FeCrMnVAl_x高熵合金系统的晶格畸变，晶格畸变属于晶体缺陷，晶体缺陷的发生会提升高熵合金的硬度，弹性等力学性能。力学性能的提升可以有效的改善材料的耐磨性。

(2)本发明在四种过渡金属元素(Fe、Cr、Mn和V)中加入低熔点的Al金属元素，是因为可以在机械合金化这种相对能量较低的合金化方式中减少球磨处理时间的同时又可以保证得到单一的体心立方(BCC)固溶体。

(3)本发明通过行星式高能球磨机制备高熵合金粉末，使粒径均匀且更加细化。

附图说明

图1为FeCrMnVAl_x粉末的XRD图，其中x为0、0.5、1.0、1.5和2.0；

图2为不同球磨时间获得的FeCrMnVAl_2.0粉末的SEM照片，其中a为0h，b为5h，c为10h，d为15h，e为20h，f为20h的高倍图。

具体实施方式

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。

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。

铁粉(Fe)：纯度99％，粒度44μm，厂家：上海攀田粉体材料有限公司；

铬粉(Cr)：纯度99％，粒度44μm，厂家：上海攀田粉体材料有限公司；

锰粉(Mn)：纯度99％，粒度44μm，厂家：上海攀田粉体材料有限公司；

钒粉(V)：纯度99％，粒度44μm，厂家：上海攀田粉体材料有限公司；

铝粉(Al)：纯度99％，粒度44μm，厂家：上海攀田粉体材料有限公司。

实施例1：

(1)按照原子比进行FeCrMnVAlx(x＝0)高熵合金粉末配比：Fe 25％、Cr 25％、Mn25％、V 25％。

(2)将上述称取的金属粉末总质量与氧化锆球质量按1：6的质量比配比后放入氧化锆球磨罐中。充Ar气作为保护气氛。其中氧化锆球直径为2mm。

(3)使用高能行星式球磨机进行球磨，球磨转速为600rpm，球磨时间为20h，得到FeCrMnVAl₀高熵合金粉末。

表征和测试：

①XRD测试，结果如图1中Al₀曲线所示，证明获得的粉末为高熵合金，且该高熵合金粉末FeCrMnVAl₀是单一的BCC相。

实施例2：

(1)按照原子比进行FeCrMnVAlx(x＝0.5)高熵合金粉末配比：Fe 22.2％、Cr22.2％、Mn 22.2％、V 2201％，Al 11.2％。

(3)使用高能行星式球磨机进行球磨，球磨转速为600rpm，球磨时间为15h，得到FeCrMnVAl_0.5高熵合金粉末。

(4)得到FeCrMnVAl_0.5高熵合金粉末放入真空干燥箱干燥3h后，真空密封保存。

表征和测试：

①XRD测试，结果如图1中Al_0.5曲线所示，证明获得的粉末为高熵合金，且该高熵合金涂层FeCrMnVAl_0.5是单一的BCC相。

实施例3：

(1)按照原子比进行FeCrMnVAlx(x＝1.0)高熵合金粉末配比：Fe 20％、Cr 20％、Mn 20％、V 20％，Al 20％；

(3)使用高能行星式球磨机进行球磨，球磨转速为600rpm，球磨时间为15h，得到FeCrMnVAl_1.0高熵合金粉末。

(4)得到FeCrMnVAl_1.0高熵合金粉末放入真空干燥箱干燥3h后，真空密封保存。

表征和测试：

①XRD测试，结果如图1中Al_1.0曲线所示，证明获得的粉末为高熵合金，且该高熵合金涂层FeCrMnVAl_1.0是单一的BCC相。

实施例4：

(1)按照原子比进行FeCrMnVAlx(x＝1.5)高熵合金粉末配比：Fe 18.2％、Cr18.2％、Mn 18.2％、V 18.2％，Al 27.2％；

(3)使用高能行星式球磨机进行球磨，球磨转速为600rpm，球磨时间为10h，得到FeCrMnVAl_1.5高熵合金粉末。

(4)得到FeCrMnVAl_1.5高熵合金粉末放入真空干燥箱干燥3h后，真空密封保存。

表征和测试：

①XRD测试，结果如图1中Al_1.5曲线所示，证明获得的粉末为高熵合金，且该高熵合金涂层FeCrMnVAl_1.5是单一的BCC相。

实施例5：

(1)按照原子比进行FeCrMnVAlx(x＝2.0)高熵合金粉末配比：Fe 16.7％、Cr16.7％、Mn 16.7％、V 16.7％，Al 33.2％；

(3)使用高能行星式球磨机进行球磨，球磨转速为600rpm，球磨时间为10h，得到FeCrMnVAl_2.0高熵合金粉末。

(4)得到FeCrMnVAl_2.0高熵合金粉末放入真空干燥箱干燥3h后，真空密封保存。

表征和测试：

①XRD测试，结果如图1中Al_2.0曲线所示，证明获得的粉末为高熵合金，且该高熵合金涂层FeCrMnVAl_2.0是单一的BCC相。

②SEM测试，结果图2中c所示，颗粒形貌介于块状颗粒和椭球颗粒之间，表明基本所有颗粒发生冷焊。

对比例1：

本对比例与实施例5的不同处为：球磨处理时间为0h，其余操作过程与参数设定与实施例5相同。

表征和测试：

①SEM测试，结果图2中a所示，粉末呈不规则状，颗粒大小差异显著。

对比例2：

本对比例与实施例5的不同处为：球磨处理时间为5h，其余操作过程与参数设定与实施例5相同。

表征和测试：

①SEM测试，结果图2中b所示，发现粉末颗粒发生了明显的塑性变形。

对比例3：

本对比例与实施例5的不同处为：球磨处理时间为15h，其余操作过程与参数设定与实施例5相同。

表征和测试：

①SEM测试，结果图2中d所示，球磨15h时粉末形貌与10h相似，由椭球状颗粒组成。不同的是，球磨15h后的颗粒表面焊合了一些细小颗粒，颗粒细化。

对比例4：

本对比例与实施例5的不同处为：球磨处理时间为20h，其余操作过程与参数设定与实施例5相同。

表征和测试：

①SEM测试，结果图2中e和f所示，球磨至20h时，颗粒球形度进一步优化，颗粒大小更为均匀；球磨20h的高倍电镜下观察粉末的球形度很好。

对比例5：

本对比例与实施例3的不同处为：将称取的金属粉末放在研钵中简单研磨5分钟后进行干燥保存，得到Simple mixing粉末。

表征和测试：

①XRD测试，结果如图1中Simple mixing曲线所示，证明获得的粉末只是各种金属元素的简单混合，且所有元素的对应峰都可以在出峰中检测。

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。

Claims

1.一种多元高熵合金粉末，其特征在于，该合金粉末成分为FeCrMnVAl_x高熵合金，其中Fe、Cr、Mn、V和Al的原子百分比的比为1:1:1:1：x，其中x为0～2.0，且各组分的原子百分比总和为100at％。

2.根据权利要求1所述的一种多元高熵合金粉末，其特征在于，x为0.5、1.0、1.5或2.0。

3.一种权利要求1所述的多元高熵合金粉末的制备方法，其特征在于，将原料铁粉、铬粉、锰粉、钒粉和铝粉混合，置于球磨罐中，加入氧化锆球进行高能球磨处理，得到体心立方BCC结构的FeCrMnVAl_x高熵合金粉末。

4.根据权利要求3所述的多元高熵合金粉末的制备方法，其特征在于，铁粉、铬粉、锰粉、钒粉和铝粉的纯度均为99wt.％。

5.根据权利要求3所述的多元高熵合金粉末的制备方法，其特征在于，铁粉、铬粉、锰粉、钒粉和铝粉的初始粒度为100～500目。

6.根据权利要求5所述的多元高熵合金粉末的制备方法，其特征在于，铁粉、铬粉、锰粉、钒粉和铝粉的初始粒度为200～325目。

7.根据权利要求3所述的多元高熵合金粉末的制备方法，其特征在于，氧化锆球质量和原料总质量的比为1：6，氧化锆球的直径为2mm。

8.根据权利要求3所述的多元高熵合金粉末的制备方法，其特征在于，球磨转速为400～700rmp。

9.根据权利要求3所述的多元高熵合金粉末的制备方法，其特征在于，球磨处理时间为10～20h。

10.一种权利要求1所述的多元高熵合金粉末的应用，其特征在于，用于冷喷涂、热喷涂或激光熔覆的前驱体材料。