[发明专利]一种难熔金属高熵氮化物粉体及其制备方法

说明书

本发明涉及金属氮化物技术领域，尤其涉及一种难熔金属高熵氮化物粉体及其制备方法。这种制备方法，包括以下步骤：使用电弧熔炼的方法将原料熔炼，制得难熔金属高熵合金块体；所述原料包括至少四种难熔金属；对所述难熔金属高熵合金块体进行氮化处理，得到难熔金属高熵氮化物粉体。本申请能够获得单一物相的难熔金属高熵氮化物粉体，而非二元或者三元氮化物的混合物，且各元素分布均匀，纯度高。

技术领域

本发明涉及金属氮化物技术领域，尤其涉及一种难熔金属高熵氮化物粉体及其制备方法。

背景技术

难熔金属高熵氮化物是一类性能优异的氮化物新材料，通常由四种或四种以上的难熔金属主元（Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta和W）与氮所构成。相比传统氮化物（以一种或两种金属为主元，如TiN、CrN和CrAlN等），难熔金属高熵氮化物具有热力学上的高熵效应、结构上的晶格畸变效应、动力学上的迟滞扩散效应以及性能上的“鸡尾酒”效应，因而较传统氮化物展现出更为优异的力学性能、高温稳定性、耐磨损烧蚀、抗化学侵蚀性能等。此外，由于含有多种主元，难熔金属高熵氮化物比传统氮化物具有更大的成分设计灵活性和性能调控空间，因而在高温防护、催化化学、新能源等诸多高新技术领域具有广泛而重要的应用前景。

高品质的原料粉体是制备高性能难熔金属高熵氮化物材料的前提和基础，而目前关于难熔金属高熵氮化物粉体的研究报道很少，基本以各难熔金属的粉体或其氮化物粉体为原料，采用高能球磨的机械合金化方法进行制备，但难以在短时间内制备出物相单一、高纯度的高熵氮化物粉体。例如，文献“D. Moskovskikh, S. Vorotilo, V. Buinevich, etal., Scientific Reports 10 (2020) 19874”：以Hf、Nb、Ta、Ti、Zr等难熔金属粉体为原料，等摩尔比混合后高能球磨10 h，然后在8 atm压力的N₂气氛下进行合成，合成后反应产物再球磨2 h，但得到的粉体仅为多种二元或者三元氮化物的混合物且含有一定量的氧化物（HfO₂）；文献“O.F. Dippo, N. Mesgarzadeh, T.J. Harrington, Scientific Reports10 (2020) 21288”：以CrN、HfN、NbN、TaN、TiN、VN、ZrN等难熔金属二元氮化物为原料，加入5at.%石墨作为助剂，高能球磨3 h后得到的粉体也仅为原料粉体的混合物，未能得到物相单一的高熵氮化物粉体。

文献“张咪，纳米晶难熔高熵合金与高熵氮化物的结构与性能研究，硕士学位论文，燕山大学，2019”：以V、Nb、Mo、Ta、W等难熔金属粉体为原料，在N₂气氛下高能球磨30 h，虽然可以得到物相较纯的(VNbMoTaW)N难熔金属高熵氮化物粉体，但球磨时间过长，生产效率较低，不适于大规模生产。同时，由于原料粉体尤其是超细金属粉体的活性较高，在球磨过程中还存在安全隐患。此外，超细金属粉体的成本较高。并且高能球磨过程中，研磨球与原料的高速碰撞也会引入其它杂质，会在一定程度上影响高熵氮化物的纯度。

因此，为获得物相单一、纯度较高的难熔金属高熵氮化物粉体原料，满足高性能难熔金属高熵氮化物的制备需求，有必要开发一种简便、高效、安全的难熔金属高熵氮化物粉体的制备方法。

发明内容

本发明要解决上述问题，提供一种难熔金属高熵氮化物粉体及其制备方法。

本发明解决问题的技术方案是，首先提供一种难熔金属高熵氮化物粉体的制备方法，包括以下步骤：

（1）使用电弧熔炼的方法将原料熔炼，制得难熔金属高熵合金块体；所述原料包括至少四种难熔金属，所述难熔金属是指Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta和W；

（2）对所述难熔金属高熵合金块体进行氮化处理，得到难熔金属高熵氮化物粉体。