一种纳米结构高熵合金块体材料及其制备方法技术

一种纳米结构高熵合金块体材料及其制备方法，属于高温合金领域。该制备方法包括：依据各元素在高熵合金块体材料的名义化学式中所占的原子百分比例，称取各初始原料的所需质量，将各初始原料混合均匀，压缩成素坯；将素坯置于大腔体高温高压装置中，在温度为1000

【技术实现步骤摘要】
一种纳米结构高熵合金块体材料及其制备方法


[0001]本申请涉及高温合金领域，具体而言，涉及一种纳米结构高熵合金块体材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]高温合金材料在航空航天科学研究及民用工业发展历程中扮演着不可或缺的角色。然而，传统合金材料因有限的元素数量使其性能受到禁锢。高熵合金因其多主元特点，体系的混合熵增大，具有热力学上的高熵效应，使其形成简单的固溶体而非金属间化合物，因此，具有比传统合金更优异的物理、化学及力学等性能，而受到国内外学者的广泛关注。
[0003]通常Nb
x
ZrHfTi四元高熵合金及NbZrHfTi基氮
‑
氧掺杂高熵合金块体材料是采用电弧熔炼炉等中熔炼后进行真空吸铸或浇铸，以得到高熵合金块体材料，合成的高熵合金材料在力学及物理性能上有待于进一步提高，此外，上述方法合成的高熵合金的烧结温度高、晶粒尺寸分布不均一且尺寸大、致密度低、塑韧性能较差，对其进行室温加工容易造成材料的开裂。

技术实现思路

[0004]本申请提供了一种纳米结构高熵合金块体材料及其制备方法，其能够通过制备方法的改进，引用高压烧结机制，通过压力能抑制晶粒长大的热力学效应，从而制备具有纳米结构的块体高熵合金材料，从而提高了Nb
x
ZrHfTi四元高熵合金及NbZrHfTi基氮
‑
氧掺杂高熵合金的力学及物理性能，改善了高熵合金的塑韧性、提高了其强度及弹性性能。
[0005]本申请的实施例是这样实现的：
[0006]在第一方面，本申请示例提供了一种纳米结构高熵合金块体材料的制备方法，纳米结构高熵合金块体材料为以下化学式中的任一种：
[0007]a、Nb
x
ZrHfTi，其中x＝0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8或0.9；
[0008]b、(NbZrHfTi)
100
‑
y
‑
z
O
y
N
z
，其中，y＝0、2、5或10，z＝0、2、5或10。
[0009]制备方法包括以下步骤：
[0010]依据各元素在名义化学式中所占的原子百分比例，称取各初始原料的所需质量，将各初始原料混合均匀，得混合原料。
[0011]将混合原料压缩成型，获得素坯。
[0012]将素坯置于大腔体高温高压装置中，在温度为1000
‑
2000℃、压力为1
‑
25GPa的条件下进行高温高压烧结所得。
[0013]本申请提供的一种纳米结构高熵合金块体材料的制备方法，利用压力能抑制晶粒生长的热力学效应，压力能使晶粒细化的机制，同时使原子键收缩、晶面间距减小，晶粒与晶粒之间更加紧密的结合，通过反应腔体内引入高压这一新的热力学调控维度，将用于可控制备具有不同晶粒尺寸的纳米晶高熵合金块体材料。难熔金属单质以及难熔氮化物或氧化物作为初始原料并充分混合、然后经过真空热处理/熔炼工艺，最后通过对压力、温度、化
学组分及保温时间的精确调控，在压力P＝1
‑
25GPa，温度T＝1000
‑
2000℃进行，利用成核反应及晶粒间的晶界滑移，制备出具有纳米结构、无裂纹、高致密度、高硬度、高强度、高塑性的毫米
‑
厘米级大尺寸高熵合金块体材料。另一方面，在高压下，晶粒与晶粒间紧密相接并形成位错结构，这些紧密连接的位错结构能有效调控和提高高熵合金的强度,使其具备更优异的力学性能及更高的热稳定性。
[0014]在一些可选地实施例中，高温高压相变及烧结的时间为至少10min。
[0015]在一些可选地实施例中，高温高压相变及烧结的时间为10
‑
120min。
[0016]在一些可选地实施例中，初始原料的粒径≤100μm。
[0017]在一些可选地实施例中，将各初始原料混合均匀的步骤包括：
[0018]将各初始原料混合，以300
‑
500rmp的转速球磨10
‑
23h。
[0019]可选地，球磨的方式为间歇球磨，每球磨20
‑
40min间歇10
‑
20min，可选为间歇20min。
[0020]在一些可选地实施例中，将混合原料置于大腔体高温高压装置之前，将混合原料真空热处理，真空热处理的真空度为(2
‑
5)
×
10
‑3Pa，真空热处理的温度为500
‑
600℃。
[0021]在一些可选地实施例中，制备方法包括：将混合原料置于大腔体高温高压实验装置的反应元件中进行高温高压相变及烧结，反应元件包括基于国产六面顶压机的一级高压装置及二级增压实验装置、德国1000吨6
‑
8模大腔体压机，德国DIA型大腔体压机(一级)以及国外进口的Kawai型、Walker型或DIA型多面顶压机。
[0022]在第二方面，本申请示例提供了一种纳米结构高熵合金块体材料，其由本申请第一方面提供的制备方法制得，纳米结构高熵合金块体材料的晶粒尺寸为纳米级。
[0023]利用上述制备方法中引入的高压这一热力学参数，以使原子键收缩、晶面间距减小，晶粒与晶粒之间更加紧密的结合，从而使制得的高熵合金块体材料具有高强度、高韧性、高硬度等优异力学及物理性能。
[0024]可选地，纳米结构高熵合金块体材料的尺寸为毫米
‑
厘米级，此处的尺寸为宏观尺寸。
附图说明
[0025]为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0026]图1为纳米结构高熵合金块体材料a的制备流程示意图；
[0027]图2为纳米结构高熵合金块体材料b的制备流程示意图；
[0028]图3为NbZrHfTi高熵合金的SEM图；
[0029]图4为NbZrHfTi高熵合金的X射线衍射图谱及晶体结构示意图；
[0030]图5为Nb
0.6
ZrHfTi高熵合金的X射线衍射图谱及晶体结构示意图；
[0031]图6为氧掺杂(NbZrHfTi)
95
O5高熵合金的X射线衍射图；
[0032]图7为氧掺杂(NbZrHfTi)
98
O2高熵合金的X射线衍射图。
具体实施方式
[0033]下面将结合实施例对本申请的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本申请，而不应视为限制本申请的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳米结构高熵合金块体材料的制备方法，其特征在于，所述纳米结构高熵合金块体材料为以下化学式中的任一种：a、Nb
x
ZrHfTi，其中x＝0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8或0.9；b、(NbZrHfTi)
100
‑
y
‑
z
O
y
N
z
，其中，y＝0、2、5或10，z＝0、2、5或10；所述制备方法包括以下步骤：依据各元素在名义化学式中所占的原子百分比例，称取各初始原料的所需质量，将各所述初始原料混合均匀，得混合原料；将所述混合原料压缩成型，获得素坯；将所述素坯置于大腔体高温高压装置中，在温度为1000
‑
2000℃、压力为1
‑
25GPa的条件下进行高温高压烧结所得。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高温高压烧结的时间为至少10min。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高温高压相变及烧结的时间为10
‑
120min。4.根据权利要求1
‑
3任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述初始原料的粒径≤100μm。5.根据权利要求1
‑
3任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述将各所述初始原料混合均匀的步骤包括：将各所述初始原料混合，以300
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：邹永涛，杨秀秀，申鹏飞，周沧涛，阮双琛，
申请(专利权)人：深圳技术大学，
类型：发明
国别省市：