【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及高性能抗高溫磨損合金材料制備，尤其涉及一種兼具異質(zhì)晶粒和異質(zhì)相結(jié)構(gòu)的抗磨高熵合金。
技術(shù)介紹
1、在現(xiàn)代工業(yè)中，特別是在航空航天、能源和國防等領(lǐng)域，機械部件常常在高溫環(huán)境下運行。金屬材料在高溫條件下的磨損問題已成為制約其服役壽命和性能的關(guān)鍵因素之一。現(xiàn)有技術(shù)中，金屬材料表面的磨損主要源于熱軟化及摩擦氧化作用，導(dǎo)致生成的脆性氧化物碎屑易于開裂、剝落，從而加劇了磨損程度。雖然部分氧化物釉層在特定條件下能夠通過硬化和潤滑作用改善滑動摩擦，但高接觸應(yīng)力下，釉層常出現(xiàn)剝離和粘著磨損的問題，導(dǎo)致其耐磨性能受限（rasearch?2023;6:0160）。為應(yīng)對這一問題，現(xiàn)有技術(shù)通常采用固體潤滑劑（如層狀二維材料、金屬氟化物和金屬無機酸鹽等）來提高材料在高溫下的摩擦性能（tribologyinternational?2019;133:206-223）。然而，固體潤滑劑與金屬基體之間存在冶金不相容性，易導(dǎo)致合金力學(xué)性能的降低。此外，固體潤滑劑在高溫和高載荷條件下的穩(wěn)定性不足，潤滑失效后會加速釉層的脫落和磨損。因此，目前在高溫條件下，通過材料微觀結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)調(diào)控來提升其耐磨性能，仍然是一個亟待解決的技術(shù)難題。
2、近年來，高熵合金（又稱為多主元合金或化學(xué)復(fù)雜合金）因其獨特的高熵效應(yīng)和多主元設(shè)計，逐漸成為突破傳統(tǒng)合金性能瓶頸的新型材料（science?2024;384:1017-1022；nature2022;602:251-257）。高熵合金傾向于形成復(fù)雜的固溶體結(jié)構(gòu)，而非傳統(tǒng)金屬間化合物，因此展現(xiàn)出良好的強度-韌性匹配
3、然而，在現(xiàn)有的高熵合金體系中設(shè)計并引入理想抗磨異質(zhì)結(jié)構(gòu)仍面臨一些挑戰(zhàn)。首先，根據(jù)赫茲接觸模型，摩擦接觸應(yīng)力隨深度減小，從而產(chǎn)生大的應(yīng)變梯度，這種應(yīng)變梯度可能會放大異質(zhì)結(jié)構(gòu)在變形期間的局部剪切不穩(wěn)定性并增加磨損。第二，現(xiàn)有技術(shù)中誘導(dǎo)析出相和異質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法（如復(fù)雜熱處理工藝、表面機械研磨等）在微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控和摩擦負(fù)荷承受能力方面還存在較大局限性，難以同時兼顧強度、韌性及耐磨性能的協(xié)調(diào)發(fā)展。此外，基于多主元固溶體基體的物理化學(xué)性質(zhì)，同時引入異質(zhì)相沉淀和雙峰晶粒分布是極為困難的。一方面，異質(zhì)相沉淀往往會消耗合金體系中的第二相成核元素，抑制了初始晶粒中的廣泛動態(tài)再結(jié)晶；另一方面，雙峰晶粒尺寸分布可能會導(dǎo)致沉淀相的不均勻析出，從而顯著降低材料的整體性能。
4、綜上所述，開發(fā)低成本且加工效率高的設(shè)計策略以在高熵合金體系中同時引入足以抵抗極端磨損條件（寬溫度范圍和gpa級赫茲接觸應(yīng)力）的異質(zhì)晶粒和相結(jié)構(gòu)具有重要意義。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)所要解決的技術(shù)問題是提供一種成本低、性能可靠的兼具異質(zhì)晶粒和異質(zhì)相結(jié)構(gòu)的抗磨高熵合金。
2、為解決上述問題，本專利技術(shù)所述的一種兼具異質(zhì)晶粒和異質(zhì)相結(jié)構(gòu)的抗磨高熵合金，其特征在于：該高熵合金為單相高熵合金，其示意化學(xué)組成式為h95~85p3~13b2，各元素比例按原子百分比計；其中h表示非等原子比化學(xué)復(fù)雜固溶體，為(co25ni23cr20fe20)、(cr29fe27ni32nb6)或(co39ni35nb14)中的任意一種；p表示異質(zhì)沉淀形核組成，為(mow)、(tiv)或(tial)中的任意一種；b為晶界穩(wěn)定化元素硼。
3、如上所述的一種兼具異質(zhì)晶粒和異質(zhì)相結(jié)構(gòu)的抗磨高熵合金的制備方法，包括以下步驟：
4、⑴將co粉、ni粉、cr粉、fe粉、nb粉、ti粉、al粉、v粉、mo粉、w粉和b粉按預(yù)設(shè)原子比稱量后放入行星式高能球磨機中，在大氣環(huán)境條件下進(jìn)行干磨合金化處理，得到干燥的過飽和高熵固溶體粉末；
5、⑵在所述干燥的過飽和高熵固溶體粉末中加入其質(zhì)量5?%的乙酸乙酯作為過程控制劑，再次放入行星式球磨機中，在保護(hù)氣體為氬氣的條件下進(jìn)行濕磨細(xì)晶化，得到潮濕的超細(xì)晶粉末前驅(qū)體；
6、⑶將所述潮濕的超細(xì)晶粉末前驅(qū)體放入真空烘箱在65?℃烘干至恒重后過篩，即得粒徑在1~20?μm范圍內(nèi)的預(yù)合金化高熵固溶體粉末；
7、⑷將所述預(yù)合金化高熵固溶體粉末經(jīng)放電等離子燒結(jié)成型，即得兼具異質(zhì)晶粒和異質(zhì)相結(jié)構(gòu)的抗磨高熵合金。
8、所述步驟⑴中co粉、ni粉、cr粉、fe粉、nb粉、ti粉、al粉、v粉、mo粉和w粉形狀均為球狀或不規(guī)則狀，粒度為10~35?μm，純度＞99.9?%。
9、所述步驟⑴中b粉的粒度為500?nm，純度＞99.9?%。
10、所述步驟⑴中干磨合金化處理的條件是指以直徑為5~15?mm的硬質(zhì)合金球為磨球，球料比為4~6：1，轉(zhuǎn)速為150~250?r/min，運行時間為15~45?h。
11、所述步驟⑵中濕磨細(xì)晶化的條件是指以直徑為5~15?mm的硬質(zhì)合金球為磨球，球料比為1.5~2.5：1，轉(zhuǎn)速為100~200?r/min，運行時間為3~8?h。
12、所述步驟⑷中放電等離子燒結(jié)成型的條件是指真空度低于1?pa，燒結(jié)溫度1100~1250?℃，施加壓力30~40?mpa，保溫時間8~15min。
13、所述步驟⑷中放電等離子燒結(jié)成型中的加熱過程是指由室溫升到700?℃的加熱速率為40~60?℃/min，由700?℃升到1100~1250?℃的加熱速率為80~100℃/min。
14、本專利技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：
15、1、本專利技術(shù)基于高強韌匹配和抗磨異質(zhì)性結(jié)構(gòu)設(shè)計理念，通過含氧機械合金化過程結(jié)合放電等離子燒結(jié)技術(shù)在多主元化學(xué)復(fù)雜固溶體中同時引入了異質(zhì)相析出和動態(tài)雙峰晶粒尺寸分布，獲得了高性能異質(zhì)高熵合金：
16、⑴通過控制(conicrfe)、(crfeninb)或(coninb)中的元素比例制備出混合熵高且混合焓接近零的化學(xué)復(fù)雜基體，以保證合金基體具有高溫穩(wěn)定性和高溶解極限；
17、⑵通過第二相輔助成核劑(mow)、(tiv)或(tial)誘導(dǎo)多主元固溶體在固相擴散過程中發(fā)生第二相析出和連續(xù)的動態(tài)再結(jié)晶，從而驅(qū)動異質(zhì)性界面和成分波動的形成；
18、⑶通過摻雜b元素穩(wěn)定晶界，本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點】
1.一種兼具異質(zhì)晶粒和異質(zhì)相結(jié)構(gòu)的抗磨高熵合金，其特征在于：該高熵合金為單相高熵合金，其示意化學(xué)組成式為H95~85P3~13B2，各元素比例按原子百分比計；其中H表示非等原子比化學(xué)復(fù)雜固溶體，為(Co25Ni23Cr20Fe20)、(Cr29Fe27Ni32Nb6)或(Co39Ni35Nb14)中的任意一種；P表示異質(zhì)沉淀形核組成，為(MoW)、(TiV)或(TiAl)中的任意一種；B為晶界穩(wěn)定化元素硼。
2.如權(quán)利要求1所述的一種兼具異質(zhì)晶粒和異質(zhì)相結(jié)構(gòu)的抗磨高熵合金的制備方法，包括以下步驟：
3.如權(quán)利要求2所述的一種兼具異質(zhì)晶粒和異質(zhì)相結(jié)構(gòu)的抗磨高熵合金的制備方法，其特征在于：所述步驟⑴中Co粉、Ni粉、Cr粉、Fe粉、Nb粉、Ti粉、Al粉、V粉、Mo粉和W粉形狀均為球狀或不規(guī)則狀，粒度為10~35?μm，純度＞99.9?%。
4.如權(quán)利要求2所述的一種兼具異質(zhì)晶粒和異質(zhì)相結(jié)構(gòu)的抗磨高熵合金的制備方法，其特征在于：所述步驟⑴中B粉的粒度為500?nm，純度＞99.9?%。
5.如權(quán)利要求2所述的一種兼具異質(zhì)晶粒和異質(zhì)相結(jié)構(gòu)
6.如權(quán)利要求2所述的一種兼具異質(zhì)晶粒和異質(zhì)相結(jié)構(gòu)的抗磨高熵合金的制備方法，其特征在于：所述步驟⑵中濕磨細(xì)晶化的條件是指以直徑為5~15?mm的硬質(zhì)合金球為磨球，球料比為1.5~2.5：1，轉(zhuǎn)速為100~200?r/min，運行時間為3~8?h。
7.如權(quán)利要求2所述的一種兼具異質(zhì)晶粒和異質(zhì)相結(jié)構(gòu)的抗磨高熵合金的制備方法，其特征在于：所述步驟⑷中放電等離子燒結(jié)成型的條件是指真空度低于1?Pa，燒結(jié)溫度1100~1250?℃，施加壓力30~40?MPa，保溫時間8~15?min。
8.如權(quán)利要求2所述的一種兼具異質(zhì)晶粒和異質(zhì)相結(jié)構(gòu)的抗磨高熵合金的制備方法，其特征在于：所述步驟⑷中放電等離子燒結(jié)成型中的加熱過程是指由室溫升到700?℃的加熱速率為40~60?℃/min，由700?℃升到1100~1250?℃的加熱速率為80~100?℃/min。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種兼具異質(zhì)晶粒和異質(zhì)相結(jié)構(gòu)的抗磨高熵合金，其特征在于：該高熵合金為單相高熵合金，其示意化學(xué)組成式為h95~85p3~13b2，各元素比例按原子百分比計；其中h表示非等原子比化學(xué)復(fù)雜固溶體，為(co25ni23cr20fe20)、(cr29fe27ni32nb6)或(co39ni35nb14)中的任意一種；p表示異質(zhì)沉淀形核組成，為(mow)、(tiv)或(tial)中的任意一種；b為晶界穩(wěn)定化元素硼。
2.如權(quán)利要求1所述的一種兼具異質(zhì)晶粒和異質(zhì)相結(jié)構(gòu)的抗磨高熵合金的制備方法，包括以下步驟：
3.如權(quán)利要求2所述的一種兼具異質(zhì)晶粒和異質(zhì)相結(jié)構(gòu)的抗磨高熵合金的制備方法，其特征在于：所述步驟⑴中co粉、ni粉、cr粉、fe粉、nb粉、ti粉、al粉、v粉、mo粉和w粉形狀均為球狀或不規(guī)則狀，粒度為10~35?μm，純度＞99.9?%。
4.如權(quán)利要求2所述的一種兼具異質(zhì)晶粒和異質(zhì)相結(jié)構(gòu)的抗磨高熵合金的制備方法，其特征在于：所述步驟⑴中b粉的粒度為500?nm，純度＞99.9?%。
5.如權(quán)利要求2所述的一種兼具異質(zhì)晶粒和異質(zhì)相...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：耿鈺山，楊軍，程軍，劉維民，朱圣宇，談輝，陳文元，陳嬌，陳娟娟，
申請(專利權(quán))人：中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：
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