[发明专利]粉末冶金难熔多主元高熵合金及其制备方法

说明书

本发明涉及难熔金属材料的粉末冶金制备技术领域；具体公开了粉末冶金难熔多主元高熵合金的制备方法，具体包括以下步骤：步骤S1：难熔金属元素粉末过300目筛，采用多元粉末混合方式混合，得到混合料；所述混合料为T i、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W中的至少四种元素；混合料中每种元素所占的原子百分比为5％‑35％；总百分比为100％。步骤S2：压制成形，得到压制坯；步骤S3：真空高温固相烧结，得到烧结块。本发明具有成分易调控、生产效率较高、近净成形的优点，制备出的粉末冶金难熔多主元高熵合金的组织和性能较稳定，成本较低，在高性能粉末冶金难熔多主元高熵合金的研发、多形状品种产品的灵活批量生产上将具有显著优势。

技术领域

本发明属于难熔金属材料的粉末冶金制备技术领域，具体涉及一种粉末冶金难熔多主元高熵合金及其制备方法。

背景技术

现有的难熔多主元高熵合金块体制备方法主要为电弧熔炼铸造工艺和粉末冶金机械合金化+放电等离子烧结工艺。这两种工艺多用于实验室级别的难熔多主元高熵合金制备，但在投入规模化批量生产时面临着许多问题。以下对这两种工艺存在的问题进行阐述。

目前制备难熔多主元高熵合金块体材料最常用的是电弧熔炼铸造工艺，但这种工艺却相当复杂(如专利文献：(NbMoTaW)_100-xM_x系难熔高熵合金及其制备方法.申请公布号:CN109182877A.授权公告号:CN109182877B.)。该工艺通常要反复熔炼，一般至少需要四次，有的甚至是反复熔炼十多次才能得到多元素合金化的铸锭。这样操作的原因是难熔元素熔点高、元素之间的熔点差异大，必须反复熔炼才能达到合金化。然而，即使通过这样复杂的操作，该工艺在控制难熔多主元高熵合金铸锭组织的均匀和成分分布的稳定性上也是非常困难的，由于成分熔点差异大、熔体凝固热场不均匀等因素，极易产生铸态组织不均匀或者宏观成分偏析的问题，将严重影响产品性能的稳定性，难以使难熔多主元高熵合金具有好得使用性能。尤其在添加更高熔点元素，如W、Ta等元素，或者增加其含量时，会使合金体系熔炼温度大幅上升，熔炼合金化和成分均匀化将更加困难。对于熔点差异大的体系，实现熔炼的温度将超过部分组元的沸点，如W的熔点达到3410℃，这超过Ti的沸点3277℃、V的沸点3407℃和Cr的沸点2671℃，含有这些元素的成分体系在熔炼过程中会造成低沸点组元的烧损，从而导致成分偏离设计预期，这使难熔多主元高熵合金材料成分体系设计的自由度受到限制。此外，电弧熔炼铸造工艺通常仅能得到尺寸较小的“纽扣锭”(目前一般直径不超过40mm)，形状很不规整，为实现应用产品的形状需求，还须对铸锭进行机加工，而难熔多主元高熵合金通常呈现出很高的强度、硬度和耐磨性能，这使其机加工的难度要比常规合金材料大得多。同时，机加工无疑是降低了难熔金属材料的利用率，增加了产品成本。

因此，当前的电弧熔炼铸造工艺在难熔多主元高熵合金块体产品的批量生产过程中将会有生产效率低、组织和性能稳定性差、材料成分体系受限、材料利用率低、成本高等不足。一些研究采用了感应熔炼铸造(如专利文献：一种轻质难熔高熵合金及其制备方法.申请公布号:CN108300926A.)、悬浮熔炼铸造(如专利文献：一种难熔多主元高熵合金及其制备方法.申请公布号:CN109112380A.授权公告号:CN109112380B.)的方法，但也都面临着与电弧熔炼铸造工艺相似的问题。为了解决这一问题，产生了“粉末冶金难熔多主元高熵合金”。粉末冶金机械合金化+放电等离子烧结工艺从根本上可以避免电弧熔炼工艺粗大组织和宏观偏析的出现，性能提升空间大、稳定性好，受到许多研究关注(如专利文献：NbZrTiTa难熔高熵合金粉末制备方法及NbZrTiTa难熔高熵合金粉末.申请公布号:CN109108273A.授权公告号:CN109108273B.)，但其在应用过程中仍面临很多问题。