[发明专利]一种氧掺杂纳米晶难熔金属高熵合金及其制备方法

说明书

本发明公开了一种氧掺杂纳米晶难熔金属高熵合金的制备方法，该氧掺杂纳米晶难熔金属高熵合金的化学式为TiZrNbMoRe_X，其中，X为0.1、0.2、0.3或0.4，该方法包括以下步骤：一、称取原料粉末在无惰性气体保护下高能球磨得到高熵合金粉末；二、将高熵合金粉末进行放电等离子烧结，随炉冷却后得到氧掺杂纳米晶难熔金属高熵合金；本发明还公开了上述方法制备的氧掺杂纳米晶难熔金属高熵合金。本发明通过无惰性气体保护下高能球磨并控制高能球磨工艺参数，得到纳米尺寸的高熵合金粉末并引入氧，从而经烧结后得到的氧掺杂纳米晶难熔金属高熵合金晶粒尺寸小，成分均匀，致密性良好，强度高，塑性好。

技术领域

本发明属于粉末冶金技术领域，具体涉及一种氧掺杂纳米晶难熔金属高熵合金及其制备方法。

背景技术

高熵合金(HEAs)是一种新型的多组分合金，由5种或5种以上的等原子或近等原子比的金属元素组成，且各金属元素的摩尔比为5％～35％。尽管合金元素数量较多，但可以表现出简单的固溶相，如面心立方相(FCC)、体心立方相(BCC)，甚至六边形密堆积相(HCP)，这是由于它们的高构型熵造成的。自从Yeh等人首次定义HEAs以来，高熵合金以其独特的组成、微观结构和优异的性能，如高强度、中等延性、热稳定性、耐腐蚀性和耐磨性等，引起了人们极大的兴趣。特别是难熔金属高熵合金，主要是以BCC相为主的包括难熔金属元素钨(W)、钼(Mo),钽(Ta)、钒(V)、铌(Nb)等。Senkov在2010首次提出难熔金属高熵合金在高温阶段(1200℃～1600℃)具有比镍基合金更好的强度和硬度。作为未来高温应用的有前途的材料，高熵合金正受到人们的关注。

目前，难熔金属主要采用电弧熔炼法制备，但熔炼过程复杂，熔炼前需要达到各元素的熔点，温度要求更高，导致晶粒尺寸较大，组织性能下降等结构缺陷；此外，在熔炼过程中会产生内应力，导致成分偏析、缩孔等结构缺陷，不利于提高高熵合金的性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种氧掺杂纳米晶难熔金属高熵合金的制备方法。该方法通过高能球磨引入空气在高熵合金粉末中生成少量氧化物，有利于高熵合金强度的提升，同时控制高能球磨工艺参数以得到纳米尺寸的高熵合金粉末，有助于经烧结得到纳米晶，从而制备得到的氧掺杂纳米晶难熔金属高熵合金的晶粒尺寸小，成分均匀，致密性良好，强度高，塑性好。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种氧掺杂纳米晶难熔金属高熵合金的制备方法，其特征在于，该氧掺杂纳米晶难熔金属高熵合金的化学式为TiZrNbMoRe_X，其中，X为0.1、0.2、0.3或0.4，该方法包括以下步骤：

步骤一、根据TiZrNbMoRe_X中各元素的摩尔比，分别称取Ti粉、Zr粉、Nb粉、Mo粉和Re粉，在无惰性气体保护下高能球磨进行机械合金化处理，得到高熵合金粉末；所述高能球磨采用行星高能球磨机进行，高能球磨的转速为300rpm～350rpm，球磨时间为30h～40h，球料比为(10～15)：1；

步骤二、将步骤一中得到的高熵合金粉末装入石墨模具中进行放电等离子烧结，随炉冷却后得到氧掺杂纳米晶难熔金属高熵合金；所述放电等离子烧结的过程为：在30MPa～60MPa的压力条件下，先以20℃/min的速率升温至1200℃，然后以5℃/min的速率升温至1400℃～1700℃并保温10min～20min。

本发明选用高熔点金属元素Ti、Zr、Nb、Mo、Re对应粉末为原料，先在无惰性气体保护下高能球磨进行机械合金化制备高熵合金粉末，再进行放电等离子烧结。本发明首先通过高能球磨引入空气在高熵合金粉末中生成少量氧化物ZrO₂第二相颗粒，有利于高熵合金强度的提升，同时控制高能球磨工艺参数以得到纳米尺寸的高熵合金粉末，有助于经烧结得到纳米晶，从而本发明的氧掺杂纳米晶难熔金属高熵合金的晶粒尺寸小，成分均匀，致密性良好，强度高，塑性好。