1.本發(fā)明涉及一種多元高熵合金粉末及其制備方法和應(yīng)用，屬于高熵合金粉末制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

2.基于多主元成分概念的高熵合金(hea)設(shè)計(jì)理念在過(guò)去十幾年中備受關(guān)注。hea通常由至少五種主元元素組成，其具有高熵效應(yīng)、晶格畸變效應(yīng)、遲滯擴(kuò)散效應(yīng)和雞尾酒效應(yīng)，由于這些作用，眾多的hea出現(xiàn)了一系列優(yōu)異的性能。hea一般形成簡(jiǎn)單的固溶體，如bcc、fcc和hcp固溶體，而不是在金屬間化合物。對(duì)于傳統(tǒng)的單主成分合金，如鋁合金、鐵和鎳基合金，晶格卻主要由一種成分的原子占據(jù)。hea的晶格通常被不同組成元素的原子占據(jù)。

3.雖然鑄造制備的hea被廣泛使用，但是鑄態(tài)hea通常會(huì)伴隨著一些缺陷，例如相偏析、晶粒粗大、顯微組織不均勻等，從而會(huì)導(dǎo)致力學(xué)性能退化。粉末冶金(pm)策略是解決鑄造缺陷的有效解決問(wèn)題途經(jīng)。機(jī)械合金化(ma)是pm策略中一種特殊的固體粉末合金化方法。在ma過(guò)程中，純金屬粉末或預(yù)合金粉末會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形由于研磨介質(zhì)的反復(fù)劇烈碰撞而產(chǎn)生的壓碎，導(dǎo)致組分元素的擴(kuò)散，從而實(shí)現(xiàn)合金化。晶粒通常被急劇細(xì)化，大大改善了組分的固溶極限。目前關(guān)于球磨參數(shù)對(duì)ma合成hea粉末的影響的報(bào)道相對(duì)較少。因此，提供一種采用ma合成hea粉末來(lái)開拓合金粉末制備方法是十分必要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

4.本發(fā)明為了解決現(xiàn)有上述技術(shù)問(wèn)題，提供一種多元高熵合金粉末及其制備方法和應(yīng)用。

5.本發(fā)明的技術(shù)方案：

6.一種多元高熵合金粉末，該合金粉末成分為fecrmnval

x

高熵合金，其中fe、cr、mn、v和al的原子百分比的比為1:1:1:1：x，其中x為0～2.0，且各組分的原子百分比總和為100at％。

7.進(jìn)一步限定，x為0.5、1.0、1.5或2.0。

8.一種上述多元高熵合金粉末的制備方法，該方法為：將原料鐵粉、鉻粉、錳粉、釩粉和鋁粉混合，置于球磨罐中，加入氧化鋯球進(jìn)行高能球磨處理，得到體心立方bcc結(jié)構(gòu)的fecrmnval

x

高熵合金粉末。

9.進(jìn)一步限定，鐵粉、鉻粉、錳粉、釩粉和鋁粉的純度均為99wt.％。

10.進(jìn)一步限定，鐵粉、鉻粉、錳粉、釩粉和鋁粉的初始粒度為100～500目。

11.進(jìn)一步限定，鐵粉、鉻粉、錳粉、釩粉和鋁粉的初始粒度為200～325目。

12.進(jìn)一步限定，氧化鋯球質(zhì)量和原料總質(zhì)量的比為1：6。

13.更進(jìn)一步限定，氧化鋯球的直徑為2mm。

14.進(jìn)一步限定，高能球磨處理采用行星式球磨機(jī)。

15.更進(jìn)一步限定，行星式球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為400～700rmp。

16.更進(jìn)一步限定，行星式球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為550-650rpm。

17.更進(jìn)一步限定，行星式球磨機(jī)的球磨時(shí)間為5-20h。

18.更進(jìn)一步限定，行星式球磨機(jī)的球磨時(shí)間為10-20h。

19.本發(fā)明有益效果：

20.(1)本發(fā)明選用fe、cr、mn、v及al五種金屬元素的混合粉末作為高熵合金粉末的制備原料，通過(guò)行星式高能球磨機(jī)處理得到體心立方(bcc)固溶體結(jié)構(gòu)，fe、cr、mn、v都屬于過(guò)渡金屬元素，在元素周期表中的位置相鄰，因此原子半徑近似。但是，al元素不屬于過(guò)渡金屬，并且原子半徑比f(wàn)e、cr、mn、v大，則會(huì)促進(jìn)fecrmnval

x

高熵合金系統(tǒng)的晶格畸變，晶格畸變屬于晶體缺陷，晶體缺陷的發(fā)生會(huì)提升高熵合金的硬度，彈性等力學(xué)性能。力學(xué)性能的提升可以有效的改善材料的耐磨性。

21.(2)本發(fā)明在四種過(guò)渡金屬元素(fe、cr、mn和v)中加入低熔點(diǎn)的al金屬元素，是因?yàn)榭梢栽跈C(jī)械合金化這種相對(duì)能量較低的合金化方式中減少球磨處理時(shí)間的同時(shí)又可以保證得到單一的體心立方(bcc)固溶體。

22.(3)本發(fā)明通過(guò)行星式高能球磨機(jī)制備高熵合金粉末，使粒徑均勻且更加細(xì)化。

附圖說(shuō)明

23.圖1為fecrmnval

x

粉末的xrd圖，其中x為0、0.5、1.0、1.5和2.0；

24.圖2為不同球磨時(shí)間獲得的fecrmnval

2.0

粉末的sem照片，其中a為0h，b為5h，c為10h，d為15h，e為20h，f為20h的高倍圖。

具體實(shí)施方式

25.為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

26.下述實(shí)施例中所使用的實(shí)驗(yàn)方法如無(wú)特殊說(shuō)明均為常規(guī)方法。所用材料、試劑、方法和儀器，未經(jīng)特殊說(shuō)明，均為本領(lǐng)域常規(guī)材料、試劑、方法和儀器，本領(lǐng)域技術(shù)人員均可通過(guò)商業(yè)渠道獲得。

27.鐵粉(fe)：純度99％，粒度44μm，廠家：上海攀田粉體材料有限公司；

28.鉻粉(cr)：純度99％，粒度44μm，廠家：上海攀田粉體材料有限公司；

29.錳粉(mn)：純度99％，粒度44μm，廠家：上海攀田粉體材料有限公司；

30.釩粉(v)：純度99％，粒度44μm，廠家：上海攀田粉體材料有限公司；

31.鋁粉(al)：純度99％，粒度44μm，廠家：上海攀田粉體材料有限公司。

32.實(shí)施例1：

33.(1)按照原子比進(jìn)行fecrmnvalx(x＝0)高熵合金粉末配比：fe 25％、cr 25％、mn25％、v 25％。

34.(2)將上述稱取的金屬粉末總質(zhì)量與氧化鋯球質(zhì)量按1：6的質(zhì)量比配比后放入氧化鋯球磨罐中。充ar氣作為保護(hù)氣氛。其中氧化鋯球直徑為2mm。

35.(3)使用高能行星式球磨機(jī)進(jìn)行球磨，球磨轉(zhuǎn)速為600rpm，球磨時(shí)間為20h，得到

16.7％、mn 16.7％、v 16.7％，al 33.2％；

61.(2)將上述稱取的金屬粉末總質(zhì)量與氧化鋯球質(zhì)量按1：6的質(zhì)量比配比后放入氧化鋯球磨罐中。充ar氣作為保護(hù)氣氛。其中氧化鋯球直徑為2mm。

62.(3)使用高能行星式球磨機(jī)進(jìn)行球磨，球磨轉(zhuǎn)速為600rpm，球磨時(shí)間為10h，得到fecrmnval

2.0

高熵合金粉末。

63.(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。

64.表征和測(cè)試：

65.①

xrd測(cè)試，結(jié)果如圖1中al

2.0

曲線所示，證明獲得的粉末為高熵合金，且該高熵合金涂層fecrmnval

2.0

是單一的bcc相。

66.②

sem測(cè)試，結(jié)果圖2中c所示，顆粒形貌介于塊狀顆粒和橢球顆粒之間，表明基本所有顆粒發(fā)生冷焊。

67.對(duì)比例1：

68.本對(duì)比例與實(shí)施例5的不同處為：球磨處理時(shí)間為0h，其余操作過(guò)程與參數(shù)設(shè)定與實(shí)施例5相同。

69.表征和測(cè)試：

70.①

sem測(cè)試，結(jié)果圖2中a所示，粉末呈不規(guī)則狀，顆粒大小差異顯著。

71.對(duì)比例2：

72.本對(duì)比例與實(shí)施例5的不同處為：球磨處理時(shí)間為5h，其余操作過(guò)程與參數(shù)設(shè)定與實(shí)施例5相同。

73.表征和測(cè)試：

74.①

sem測(cè)試，結(jié)果圖2中b所示，發(fā)現(xiàn)粉末顆粒發(fā)生了明顯的塑性變形。

75.對(duì)比例3：

76.本對(duì)比例與實(shí)施例5的不同處為：球磨處理時(shí)間為15h，其余操作過(guò)程與參數(shù)設(shè)定與實(shí)施例5相同。

77.表征和測(cè)試：

78.①

sem測(cè)試，結(jié)果圖2中d所示，球磨15h時(shí)粉末形貌與10h相似，由橢球狀顆粒組成。不同的是，球磨15h后的顆粒表面焊合了一些細(xì)小顆粒，顆粒細(xì)化。

79.對(duì)比例4：

80.本對(duì)比例與實(shí)施例5的不同處為：球磨處理時(shí)間為20h，其余操作過(guò)程與參數(shù)設(shè)定與實(shí)施例5相同。

81.表征和測(cè)試：

82.①

sem測(cè)試，結(jié)果圖2中e和f所示，球磨至20h時(shí)，顆粒球形度進(jìn)一步優(yōu)化，顆粒大小更為均勻；球磨20h的高倍電鏡下觀察粉末的球形度很好。

83.對(duì)比例5：

84.本對(duì)比例與實(shí)施例3的不同處為：將稱取的金屬粉末放在研缽中簡(jiǎn)單研磨5分鐘后進(jìn)行干燥保存，得到simple mixing粉末。

85.表征和測(cè)試：

86.①

xrd測(cè)試，結(jié)果如圖1中simple mixing曲線所示，證明獲得的粉末只是各種金屬元素的簡(jiǎn)單混合，且所有元素的對(duì)應(yīng)峰都可以在出峰中檢測(cè)。

87.以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，鑒于本發(fā)明所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)上述實(shí)施方式進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖兏托薷?，因此，本發(fā)明并不局限于上面所述的具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明的一些修改和變更也應(yīng)當(dāng)落入本發(fā)明的權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。技術(shù)特征：

1.一種多元高熵合金粉末，其特征在于，該合金粉末成分為fecrmnval

x

高熵合金，其中fe、cr、mn、v和al的原子百分比的比為1:1:1:1：x，其中x為0～2.0，且各組分的原子百分比總和為100at％。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多元高熵合金粉末，其特征在于，x為0.5、1.0、1.5或2.0。3.一種權(quán)利要求1所述的多元高熵合金粉末的制備方法，其特征在于，將原料鐵粉、鉻粉、錳粉、釩粉和鋁粉混合，置于球磨罐中，加入氧化鋯球進(jìn)行高能球磨處理，得到體心立方bcc結(jié)構(gòu)的fecrmnval

x

高熵合金粉末。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多元高熵合金粉末的制備方法，其特征在于，鐵粉、鉻粉、錳粉、釩粉和鋁粉的純度均為99wt.％。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多元高熵合金粉末的制備方法，其特征在于，鐵粉、鉻粉、錳粉、釩粉和鋁粉的初始粒度為100～500目。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多元高熵合金粉末的制備方法，其特征在于，鐵粉、鉻粉、錳粉、釩粉和鋁粉的初始粒度為200～325目。7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多元高熵合金粉末的制備方法，其特征在于，氧化鋯球質(zhì)量和原料總質(zhì)量的比為1：6，氧化鋯球的直徑為2mm。8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多元高熵合金粉末的制備方法，其特征在于，球磨轉(zhuǎn)速為400～700rmp。9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多元高熵合金粉末的制備方法，其特征在于，球磨處理時(shí)間為10～20h。10.一種權(quán)利要求1所述的多元高熵合金粉末的應(yīng)用，其特征在于，用于冷噴涂、熱噴涂或激光熔覆的前驅(qū)體材料。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明公開了一種多元高熵合金粉末及其制備方法和應(yīng)用，屬于高熵合金粉末制備技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明選用Fe、Cr、Mn、V及Al五種金屬元素的混合粉末作為高熵合金粉末的制備原料，通過(guò)行星式高能球磨機(jī)處理得到體心立方(BCC)固溶體結(jié)構(gòu)，通過(guò)加入低熔點(diǎn)的Al金屬元素在可以保證得到體心立方(BCC)固溶體的同時(shí)，降低球磨處理時(shí)間和轉(zhuǎn)速。同時(shí)，本發(fā)明通過(guò)行星式高能球磨機(jī)制備高熵合金粉末，使粒徑均勻且更加細(xì)化?；??；?。

技術(shù)研發(fā)人員：吳曉宏 盧松濤 姚忠平 秦偉 李楊

受保護(hù)的技術(shù)使用者：哈爾濱工業(yè)大學(xué)

技術(shù)研發(fā)日：2022.05.16

技術(shù)公布日：2022/8/30