一种高强韧高熵合金及其制备方法

摘要

本发明公开了一种高强韧高熵合金及其制备方法，按质量分数以上原料进行混合，对其进行干燥脱氧后，采用SLM工艺进行成型得到高强韧高熵合金，得到一种新的非等原子比的高强高韧性多主元高熵合金，与现有高熵合金不同。采用3D打印技术实现了常规方法无法替代的制备合金的新方法，特别是该方法更易于复杂结构的成型，能够满足航空、航天等领域复杂构件的需求。得到的高强韧高熵合金密度为8.5‑8.9g/cm3，抗拉强度为800‑830MPa，断后伸长率为21‑23％，所选用的合金化元素价格低廉，没有一些较贵的元素。

权利要求

1.一种高强韧高熵合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)、按质量分数取以下原料：Ni：33％～39％、Cr：16～24％、W：7～15％、Fe：25～

35％、Ti：1％～7％；

步骤2)、将以上原料混合后制备为球形合金粉末并进行干燥脱氧；

具体包括以下步骤：将纯度≥99.9％的Ni、Cr、W、Fe和Ti元素的单质粉末按照元素含量配比，均匀混合，球磨制备成球形合金粉末；或者将纯度≥99.9％的Ni、Cr、W、Fe和Ti块体按照元素含量配比熔炼制备成棒料，再将棒料同气雾化或旋转电极法制备成球形合金粉末；

球形合金粉末纯度≥99.9％，粒度为15～53μm；

将制得的球形合金粉末置于干燥箱进行干燥脱氧，其中真空度为1×10-2Pa，温度为60～120℃，时间为6～12h，之后自然冷却至室温，真空封装保存；

步骤3)、将干燥脱氧后的球形合金粉末置于SLM金属3D打印机粉缸内，在Ar气体保护、氧含量小于200ppm、腔压力0-30mbar的环境下采用SLM工艺进行成型得到高强韧高熵合金；

设置3D打印机的功率为250～350W，扫描速度为1500～3500mm/s，旋转角0～90°扫描间距为

60～90μm，铺粉量为30μm，送粉量为80μm。

2.根据权利要求1所述的一种高强韧高熵合金的制备方法，其特征在于，高强韧高熵合金形成材料的密度为8.5-8.9g/cm3，抗拉强度为800-830MPa，断后伸长率为21-23％。

说明书

一种高强韧高熵合金及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种高强韧高熵合金及其制备方法。

背景技术

[0002] 随着航空航天、先进机动车等高技术产业的快速发展，材料制备技术的不断更新，人们对材料性能提出了更高的要求，传统的材料已不能满足现役复杂的工况需求。为此，研究人员不断探索和突破合金的化学成分范围，寻找性能优异的新型金属结构材料。高熵合金是一种新型的合金材料，且合金含有五个、五个以上的主要元素。该合金没有明显的溶质和溶剂之分，被认为是一种超级固溶体合金，此类固溶体固溶强化效应异常强烈，可以显著提高合金的强度和韧性。而少量有序相的析出和纳米晶及非晶相的出现也会对合金起到进一步强化的效果。因此，高熵合金具有一些传统合金无法比拟的优异性能，如高强韧、高硬度、高耐磨、高热阻、高电阻率、抗高温氧化、抗高温软化。因此，高熵合金材料可以大幅扩展材料的服役范围，得到了国内外的普遍关注。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于提供一种高强韧高熵合金及其制备方法，该方法制备的合金具有优异的力学性能，达到了高强高韧合金的要求。

[0004] 为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0005] 一种高强韧高熵合金，由以下原料按质量分数计制备而成：Ni：33％～39％、Cr：16～24％、W：7～15％、Fe：25～35％、Ti：1％～7％。

[0006] 进一步的，采用高强韧高熵合金形成材料的密度为8.5-8.9g/cm3，抗拉强度为800-830MPa，断后伸长率为21-23％。

[0007] 一种高强韧高熵合金的制备方法，包括以下步骤：

[0008] 步骤1)、按质量分数取以下原料：Ni：33％～39％、Cr：16～24％、W：7～15％、Fe：25～35％、Ti：1％～7％；

[0009] 步骤2)、将以上原料混合后制备为球形合金粉末并进行干燥脱氧；

[0010] 步骤3)、将干燥脱氧后的球形合金粉末在Ar气体保护、氧含量小于200ppm、腔压力0-30mbar的环境下采用SLM工艺进行成型得到高强韧高熵合金。

[0011] 进一步的，球形合金粉末纯度≥99.9％，粒度为15～53μm。

[0012] 进一步的，将纯度≥99.9％的Ni、Cr、W、Fe和Ti元素的单质粉末按照元素含量配比，均匀混合，球磨制备成球形合金粉末；或者将纯度≥99.9％的Ni、Cr、W、Fe和Ti块体按照元素含量配比熔炼制备成棒料，再将棒料同气雾化或旋转电极法制备成球形合金粉末。

[0013] 进一步的，将制得的球形合金粉末置于干燥箱进行干燥脱氧，其中真空度为1×10-2Pa，温度为60～120℃，时间为6～12h，之后自然冷却至室温，真空封装保存。

[0014] 进一步的，将步骤2)制得的合金粉末置于SLM金属3D打印机粉缸内，腔内为惰性气体保护，氧含量控制在200ppm以内，成形腔压力0-30mbar；设置3D打印机的功率为250～350W，扫描速度为1500～3500mm/s，旋转角0～90°扫描间距为60～90μm，铺粉量为30μm，送粉量为80μm，完成即可得到高强韧高熵合金。

[0015] 与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

[0016] 本发明一种高强韧高熵合金，按质量分数计取以上原料制备而成的高强韧高熵合金，其形成材料的密度为8.5-8.9g/cm3，抗拉强度为800-830MPa，断后伸长率为21-23％，所选用的合金化元素价格低廉，没有一些较贵的元素。

[0017] 本发明一种高强韧高熵合金的制备方法，按质量分数以上原料进行混合，对其进行干燥脱氧后，采用SLM工艺进行成型得到高强韧高熵合金，得到一种新的非等原子比的高强高韧性多主元高熵合金，与现有高熵合金不同。

[0018] 进一步的，采用3D打印技术实现了常规方法无法替代的制备合金的新方法，特别是该方法更易于复杂结构的成型，能够满足航空、航天等领域复杂构件的需求。

附图说明

[0019] 图1为实施例NiCrWFeTi系合金XRD图谱。

[0020] 图2为NiCrWFeTi系合金SEM组织图。

[0021] 图3为NiCrWFeTi系高熵合金的应力应变曲线图。

具体实施方式

[0022] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

[0023] 一种高强韧高熵合金，由以下原料按质量分数比制备而成：Ni 33％～39％，Cr 16～24％，W 7～15％，Fe 25～35％，Ti 1％～7％，其余为杂质。

[0024] 一种高强韧高熵合金制备方法，包括以下步骤：

[0025] 步骤1)、按质量分数取以下原料：Ni：33％～39％，Cr：16～24％，W：7～15％，Fe：25～35％，Ti：1％～7％，其余为杂质；将以上原料混合制备为球形合金粉末，球形合金粉末纯度≥99.9％，粒度为15～53μm；

[0026] 具体的，将纯度≥99.9％的Ni、Cr、W、Fe、Ti元素的单质粉末按照元素含量配比，均匀混合，球磨制备成球形合金粉末；将纯度≥99.9％的Ni、Cr、W、Fe、Ti块体按照元素含量配比熔炼制备成棒料，再将棒料同气雾化或旋转电极法制备成球形合金粉末；

[0027] 步骤2)、将步骤1)制得的合金粉末置于干燥箱进行干燥脱氧，其中真空度为1×10-2Pa，温度为60～120℃，时间为6～12h；之后自然冷却至室温，获得干燥的高熵合金粉末，真空封装保存；采用激光选区熔化(SLM)成形工艺对干燥脱氧后的合金粉末进行合金成型制备，即可得到高强韧高熵合金。

[0028] 具体的采用以下制备工艺制备：

[0029] 步骤3)、将步骤2)制得的合金粉末置于SLM金属3D打印机粉缸内，腔内为惰性气体保护，氧含量控制在200ppm以内，成形腔压力0-30mbar；

[0030] 所采用的惰性气体为He、Ar或N2；

[0031] 步骤4)、设置3D打印机的功率为250～350W，扫描速度为1500～3500mm/s，旋转角0～90°扫描间距为60～90μm，铺粉量为30μm，送粉量为80μm；完成合金制备后，等待2h～4h后进行取样。

[0032]

[0033] 实施例1：

[0034] 步骤1)、按质量分数取以下材料：Ni：33，Cr：20，W：14，Fe：28，Ti：5，将以上材料配制并制备为球形合金粉末，其纯度均≥99.9％，粒度均为15μm；

[0035] 步骤2)、将步骤1)制得的合金粉末置于干燥箱进行干燥脱氧，其中真空度为1×10-2Pa，温度为60℃，时间为7h，之后自然冷却至室温，真空封装保存；

[0036] 步骤3)、将步骤2)制得的合金粉末置于3D打印机粉缸内，将腔体抽真空为98ppm，腔内为Ar气体保护，其中腔体氧含量为760ppm，成型室压力17mba，工作压力3.8bar，吹风速度950r/min；

[0037] 步骤4)、设置3D打印机的功率为250W，扫描速度为1500mm/s，旋转角30°，扫描间距为80μm，铺粉量为30μm，送粉量为80μm，之后启动设备进行合金制备，

[0038] 步骤5)、合金制备完成后，等待2h后得到高强韧高熵合金。

[0039] 实施例2：

[0040] 按质量分数取以下材料：Ni：33，Cr：20，W：14，Fe：28，Ti：5，将以上材料配制并制备为球形合金粉末，其纯度均≥99.9％，粒度均为20μm；

[0041] 步骤2)、将步骤1)制得的合金粉末置于干燥箱进行干燥脱氧，其中真空度为1×10-2Pa，温度为70℃，时间为6h，之后自然冷却至室温，真空封装保存；

[0042] 步骤3)、将步骤2)制得的合金粉末置于3D打印机粉缸内，将腔体抽真空为100ppm，腔内为He气体保护，其中腔体氧含量为755ppm，成型室压力17mba，工作压力3.9bar，吹风速度1020r/min；

[0043] 步骤4)、设置3D打印机的功率为250W，扫描速度为1500mm/s，旋转角30°，扫描间距为80μm，铺粉量为30μm，送粉量为80μm，之后启动设备进行合金制备，

[0044] 步骤5)、合金制备完成后，等待2h后得到高强韧高熵合金。

[0045] 实施例3：

[0046] 按质量分数取以下材料：Ni：35，Cr：18，W：12，Fe：32，Ti：3，将以上材料配制并制备为球形合金粉末，其纯度均≥99.9％，粒度均为25μm；

[0047] 步骤2)、将步骤1)制得的合金粉末置于干燥箱进行干燥脱氧，其中真空度为1×10-2Pa，温度为80℃，时间为8h，之后自然冷却至室温，真空封装保存；

[0048] 步骤3)、将步骤2)制得的合金粉末置于3D打印机粉缸内，将腔体抽真空为97ppm，腔内为Ar气体保护，其中腔体氧含量为750ppm，成型室压力19mba，工作压力3.8bar，吹风速度950r/min；

[0049] 步骤4)、设置3D打印机的功率为250W，扫描速度为1500mm/s，旋转角30°，扫描间距为80μm，铺粉量为30μm，送粉量为80μm，之后启动设备进行合金制备，

[0050] 步骤5)、合金制备完成后，等待2h后得到高强韧高熵合金。

[0051] 实施例4

[0052] 按质量分数取以下材料：Ni：36，Cr：22，W：11，Fe：27，Ti：4，将以上材料配制并制备为球形合金粉末，其纯度均≥99.9％，粒度均为30μm；

[0053] 步骤2)、将步骤1)制得的合金粉末置于干燥箱进行干燥脱氧，其中真空度为1×10-2Pa，温度为90℃，时间为9h，之后自然冷却至室温，真空封装保存；

[0054] 步骤3)、将步骤2)制得的合金粉末置于3D打印机粉缸内，将腔体抽真空为96ppm，腔内为He气体保护，其中腔体氧含量为745ppm，成型室压力18mba，工作压力3.9bar，吹风速度960r/min；

[0055] 步骤4)、设置3D打印机的功率为250W，扫描速度为1500mm/s，旋转角30°，扫描间距为80μm，铺粉量为30μm，送粉量为80μm，之后启动设备进行合金制备，

[0056] 步骤5)、合金制备完成后，等待2h后得到高强韧高熵合金。

[0057] 实施例5

[0058] 步骤1)、按质量分数取以下材料：Ni：37，Cr：20，W：7，Fe：35，Ti：1，将以上材料配制并制备为球形合金粉末，其纯度均≥99.9％，粒度均为35μm；

[0059] 步骤2)、将步骤1)制得的合金粉末置于干燥箱进行干燥脱氧，其中真空度为1×10-2Pa，温度为100℃，时间为10h，之后自然冷却至室温，真空封装保存；

[0060] 步骤3)、将步骤2)制得的合金粉末置于3D打印机粉缸内，将腔体抽真空为95ppm，腔内为Ar气体保护，其中腔体氧含量为740ppm，成型室压力17mba，工作压力3.8bar，吹风速度980r/min；

[0061] 步骤4)、设置3D打印机的功率为250W，扫描速度为1500mm/s，旋转角30°，扫描间距为80μm，铺粉量为30μm，送粉量为80μm，之后启动设备进行合金制备，

[0062] 步骤5)、合金制备完成后，等待2h后得到高强韧高熵合金。

[0063] 实施例6

[0064] 步骤1)、按质量分数取以下材料：Ni：38，Cr：16，W：10，Fe：29，Ti：7，将以上材料配制并制备为球形合金粉末，其纯度均≥99.9％，粒度均为45μm；

[0065] 步骤2)、将步骤1)制得的合金粉末置于干燥箱进行干燥脱氧，其中真空度为1×10-2Pa，温度为110℃，时间为11h，之后自然冷却至室温，真空封装保存；

[0066] 步骤3)、将步骤2)制得的合金粉末置于3D打印机粉缸内，将腔体抽真空为94ppm，腔内为Ar气体保护，其中腔体氧含量为760ppm，成型室压力18mba，工作压力3.8bar，吹风速度1000r/min；

[0067] 步骤4)、设置3D打印机的功率为250W，扫描速度为1500mm/s，旋转角30°，扫描间距为80μm，铺粉量为30μm，送粉量为80μm，之后启动设备进行合金制备，

[0068] 步骤5)、合金制备完成后，等待2h后得到高强韧高熵合金。

[0069] 实施例7

[0070] 步骤1)、按质量分数取以下材料：Ni：39，Cr：17，W：8，Fe：30，Ti：6，将以上材料配制并制备为球形合金粉末，其纯度均≥99.9％，粒度均为53μm；

[0071] 步骤2)、将步骤1)制得的合金粉末置于干燥箱进行干燥脱氧，其中真空度为1×10-2Pa，温度为120℃，时间为12h，之后自然冷却至室温，真空封装保存；

[0072] 步骤3)、将步骤2)制得的合金粉末置于3D打印机粉缸内，将腔体抽真空为93ppm，腔内为N2气体保护，其中腔体氧含量为740ppm，成型室压力19mba，工作压力4.0bar，吹风速度1050r/min；

[0073] 步骤4)、设置3D打印机的功率为250W，扫描速度为1500mm/s，旋转角30°，扫描间距为90μm，铺粉量为50μm，送粉量为80μm，之后启动设备进行合金制备，

[0074] 步骤5)、合金制备完成后，等待2h后得到高强韧高熵合金。

[0075] 本发明提供的一种高强韧高熵合金的制备方法，其在不同工艺条件下获得的高熵合金块材，经测试其性能数据如表1及图1至图3所示：

[0076] 表1本发明制得的高强韧高熵合金的各项性能

[0077]

[0078] 以上所述的内容仅为本发明优选实施的结果，应当指出，对于本领域的人员来讲，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。