一种制备高熵增强非晶合金复合材料的方法技术

本发明专利技术属于非晶合金制备技术领域，涉及一种制备高熵增强非晶合金复合材料的方法，将非晶合金粉体与具有高韧性的高熔点高熵合金粉体按照设计的体积分数混合均匀，将混合粉末通过具有超音速的气流送出，并与激光焦点汇聚在距离沉积基板上方2

【技术实现步骤摘要】
一种制备高熵增强非晶合金复合材料的方法


[0001]本专利技术属于非晶合金制备
，涉及一种制备高熵增强非晶合金复合材料的方法，具体为一种新型激光悬浮熔化超音速粉体气流沉积制备非晶合金复合材料的方法。

技术介绍

[0002]非晶合金是采用现代冶金技术和合金设计理念研制出的新型高性能金属材料，具有高强度、高弹性、易加工成型、耐腐蚀和软磁等一系列优异性能，在国防、空天等高新科技领域都有着广泛的应用前景。但是由于非晶合金的制备需要快速凝固过程，长久以来限制了非晶合金制备工艺的选择以及非晶合金制件的尺寸。多年来，通常由单辊悬淬法制备微米级厚度的非晶合金带材，而大多数的块体非晶合金则是通过铜模铸造法获得。研究人员通过开发具有大非晶形成能力的合金成分，以降低非晶合金形成的临界冷却速度，但目前尚没有突破非晶合金的尺寸或工艺限制(大部分非晶合金体系的一般水平仅可做到临界直径1～10mm的圆柱非晶棒)。另外，非晶合金由于自身组织结构的特殊性，其塑性较低、机械加工性能较差，因此一些具有复杂形状要求的制件也不能完全通过铸造的工艺方法来得到。
[0003]非晶合金虽然具有高的硬度和强度，但非晶合金的宏观塑性较差，一直成为其作为优秀结构材料应用的瓶颈。人们通过开发新型高塑性变形能力非晶合金成分、在非晶合金基体中添加第二相以及表面处理等多种方式来改善非晶合金的塑性。当合金的组元和成分变化时，合金的塑性变形能力也会有相应的变化。但同时，合金的非晶形成能力也与合金的成分有密切的关系，目前很难发现具有高非晶形成能力的合金同时具有高塑性变形能力。
[0004]综上，非晶合金具有许多传统晶体合金所不具备的性能优点，但其本身的脆性影响了它的进一步应用；同时，由于受到非晶形成能力及制备工艺等因素的限制，制备大尺寸(10mm以上)的非晶合金还存在极大难度。采取有效措施突破非晶合金的尺寸和工艺限制并提高非晶合金的韧塑性、建立一种新型的非晶合金制备方法对于推动非晶合金实际应用具有重要意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是：提供一种制备高熵增强非晶合金复合材料的方法，通过将激光悬浮熔化合金粉体与超音速气流高速沉积相结合的方式，通过控制激光功率和送粉、熔化及沉积位置，使混合粉末中的非晶合金发生熔化而高熵合金不发生熔化，最终获得无尺寸限制的块体高熵增强非晶合金复合材料。
[0006]为解决此技术问题，本专利技术的技术方案是：
[0007]一种制备高熵增强非晶合金复合材料的方法，所述方法将非晶合金粉体与具有高韧性的高熔点高熵合金粉体按照设计的体积分数混合均匀，将混合粉末通过具有超音速的气流送出，并与激光焦点汇聚在距离沉积基板上方2
‑
30mm处；使非晶合金粉体通过激光悬
浮加热至熔融态，同时在飞行至沉积基板过程中由超音速气流吹冷至过冷液态，并在基板上沉积形成非晶态合金基体，高熵合金粉体在此过程中始终保持不熔化，最终以增强相形式均匀分布在沉积形成的非晶态合金中；高熵合金粉体熔点高于非晶合金粉体熔点。采用这样的设计思路，可以充分发挥材料的性能优势，使制备的复合材料兼具有非晶合金的高强度和高熵合金的高韧塑性；同时，采用这种方法制备的复合材料其高熵增强相和非晶合金基体在热力学上稳定，该特性对于提高材料的使用温度具有极为重要的作用。
[0008]当非晶合金粉体为Zr
‑
Al
‑
Ni
‑
Cu合金粉体，高熵合金粉体为Co
‑
Cr
‑
Ni
‑
Zr
‑
Fe合金粉体时，高熵合金粉体占混合粉末体积分数为9～12％，激光焦点与基板垂直距离为10
‑
17mm，激光功率：200W～350W。
[0009]Co
‑
Cr
‑
Ni
‑
Zr
‑
Fe高熵合金与Zr
‑
Al
‑
Ni
‑
Cu非晶合金具有良好的物理化学兼容性，且当Co
‑
Cr
‑
Ni
‑
Zr
‑
Fe高熵增强相体积分数为9～12％时，增强效果最佳，小于9％时，增强效果较弱，大于12％时，会影响基体非晶相的形成；激光焦点与基板垂直距离为10
‑
17mm时，可使非晶合金经历深过冷区间，且在过冷区间内沉积在基板上从而形成非晶相；激光功率在200W以下时，能量密度太小，非晶合金粉体熔化不充分、影响非晶基体的成形，激光功率在350W以上时，能量过大，会导致高熵合金粉体发生熔化，从而无法作为增强相分布在非晶合金基体中。
[0010]当非晶粉体为Cu
‑
Zr
‑
Al
‑
Y合金粉体，高熵合金粉体为Zr
‑
Al
‑
Cr
‑
Ni
‑
Fe合金粉体时，高熵合金粉体占混合粉末体积分数为5～10％，激光焦点与基板垂直距离为2
‑
5mm，激光功率：300W～450W。Zr
‑
Al
‑
Cr
‑
Ni
‑
Fe高熵合金与Cu
‑
Zr
‑
Al
‑
Y非晶合金具有良好的物理化学兼容性。
[0011]高熵合金相的尺寸在1～10μm；进一步地，高熵合金相的尺寸在5～8μm。尤其是当高熵增强相的尺寸为5～8μm时，对非晶合金基体的增韧增塑效果最佳，可以有效阻止非晶合金在受力状态下剪切带的滑移并因此促成其他区域产生更多的剪切带，提高塑性。
[0012]超音速气流送粉装置喷嘴与激光束呈大于零度、小于45度夹角；激光焦点处光斑尺寸不小于粉体气流的横截面尺寸。
[0013]气流气体为He、N2或Ar的一种或多种的混合。
[0014]气体的压力根据送粉量与沉积过程工艺要求相对调节，范围在0.5
‑
8MPa。
[0015]气体温度区间为0
‑
600℃。气体可以是冷态的，也可以升高温度从而提高粉体的飞行速度。
[0016]通过所述方法多次沉积形成具有一定厚度的块体高熵增强非晶合金复合材料，最终可实现非晶合金复合材料无尺寸限制的三维复杂形状成型。
[0017]本专利技术的原理是，利用非晶合金基体中均匀分布的高韧性高熵合金增强相来为非晶合金增塑增韧。非晶合金基体中存在的尺寸合适的高熵增强相颗粒，可以有效阻止非晶合金在受力状态下剪切带的滑移并因此促成合金中其他区域产生更多的剪切带，显著提高塑性；同时，高熵颗粒也可使非晶合金变形区域附近粘度降低的速度大幅度下降，使剪切软化和剪切带滑移失稳的情况显著减弱，延长断裂失效时间。
[0018]另外，在高熵合金粉体比非晶合金粉体熔点高的情况下，通过控制激光功率和送粉、熔化及沉积位置，使混合粉末中的非本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制备高熵增强非晶合金复合材料的方法，其特征在于：所述方法将非晶合金粉体与具有高韧性的高熔点高熵合金粉体按照设计的体积分数混合均匀，将混合粉末通过具有超音速的气流送出，并与激光焦点汇聚在距离沉积基板上方2
‑
30mm处；使非晶合金粉体通过激光悬浮加热至熔融态，同时在飞行至沉积基板过程中由超音速气流吹冷至过冷液态，并在基板上沉积形成非晶态合金基体，高熵合金粉体在此过程中始终保持不熔化，最终以增强相形式均匀分布在沉积形成的非晶态合金中；高熵合金粉体熔点高于非晶合金粉体熔点；当非晶合金粉体为Zr
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Al
‑
Ni
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Cu合金粉体，高熵合金粉体为Co
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Cr
‑
Ni
‑
Zr
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Fe合金粉体时，高熵合金粉体占混合粉末体积分数为9～12％，激光焦点与基板垂直距离为10
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17mm，激光功率：200W～350W；当非晶粉体为Cu
‑
Zr
‑
Al
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈冰清，闫泰起，孙兵兵，雷杨，黄帅，
申请(专利权)人：中国航发北京航空材料研究院，
类型：发明
国别省市：