一种AlCrFeNiSiTi高熵合金多孔材料及其制备方法

摘要

本发明属于高熵合金材料领域，公开了一种AlCrFeNiSiTi高熵合金多孔材料及其制备方法。本发明的AlCrFeNiSiTi高熵合金多孔材料按照原子百分比包含Al：10％‑20％，Cr：10％‑20％，Fe：10％‑20％，Ni：10％‑20％，Si：10％‑20％，Ti：10％‑20％，采用元素粉末的反应合成方法，制备AlCrFeNiSiTi高熵合金多孔材料，以各主元的元素粉末为原料，在制备过程中仅需要加入少量的润滑剂，能耗低，成本低；充分利用元素之间的偏扩散引起的Kirkendall效应来生成孔隙，孔结构的可控性较好，而且不需要加入造孔剂，不存在后续脱除造孔剂的问题，具有短流程和高性能的特点。

权利要求

1.一种AlCrFeNiSiTi高熵合金多孔材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)成分配比：采用Al、Cr、Fe、Ni、Si、Ti元素粉末为原料，按照Al：10％-20％，Cr：10％-

20％，Fe：10％-20％，Ni：10％-20％，Si：10％-20％，Ti：10％-20％的原子百分比配比混料；

(2)粒度配比：主元元素中，Al、Ti的粉末粒度最粗，粒度范围为-200目；Cr、Si的粉末粒度中等，粒度范围为-325目；Fe、Ni的粉末粒度最细，粒度范围为-400目；

(3)物料混合：将各主元元素粉末放入混料机进行混合；

(4)加润滑剂：在混合好的粉末中加入润滑剂，加入后在真空干燥箱中干燥；

(5)冷压成形后真空烧结：真空烧结中加热采用四阶段烧结工艺，第一阶段温度为120-

250℃，保温时间为30-60分钟，升温速率控制在15-20℃/min，真空度控制在10-2-10-1Pa；第二阶段温度为350-500℃，保温时间为60-120分钟，升温速率控制在5-15℃/min，真空度控-3 -2制在10 -10 Pa；第三阶段温度为550-700℃，在该阶段温度范围内可设1个及以上的保温平台，总的保温结时间为240-600分钟，升温速率控制在1-5℃/min，真空度控制在10-3-10-

2Pa；第四阶段温度为900-1200℃，保温时间为180-480分钟，升温速率控制在1-5℃/min，真空度控制在10-3-10-2Pa；

(6)随炉冷却：烧结完成后，随炉冷却至室温；

所述步骤(4)中润滑剂为硬脂酸，采用硬脂酸酒精溶液的方式加入润滑剂；所述步骤(5)中采用模压或冷等静压方式压制，压力为80-350MPa。

2.根据权利要求1所述AlCrFeNiSiTi高熵合金多孔材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中按照Al：10％-15％，Cr：15％-20％，Fe：15％-20％，Ni：15％-20％，Si：10％-

15％，Ti：15％-20％的原子百分比配比混料。

3.根据权利要求1所述AlCrFeNiSiTi高熵合金多孔材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中混料机为V型混料机，混料气氛采用惰性气体保护，混料时间为8-72小时。

4.根据权利要求1所述AlCrFeNiSiTi高熵合金多孔材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中加入占粉末质量百分比1-3％的润滑剂。

5.根据权利要求1所述AlCrFeNiSiTi高熵合金多孔材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中干燥温度60-70℃，时间30-240分钟。

说明书

一种AlCrFeNiSiTi高熵合金多孔材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及高熵合金材料领域，具体是涉及一种AlCrFeNiSiTi高熵合金多孔材料及其制备方法。

背景技术

[0002] 金属多孔材料作为当前广泛应用的无机多孔材料，主要包括FeNiCr不锈钢多孔材料、FeCrAl合金抗高温多孔材料、Ni基合金多孔材料以及Ti基合金多孔材料等。这些传统的金属多孔材料采取单一主元+合金化组元的材料设计方式，如FeNiCr不锈钢和FeCrAl合金以Fe为主元，其他元素为合金化组元。

[0003] 高熵合金(High Entropy Alloy,HEA)与传统的金属材料相比具有明显的材料优势。与传统金属材料的单主元+合金化组元的材料设计方式不同，高熵合金采用5个及以上的多主元设计，每个主元的含量在5-35％范围内，具有典型的热力学上的高熵效应。在物相组成方面，高熵合金可以表现出单一固溶体，或者多相合金的特征。高熵合金具有结构上的晶格畸变效应，动力学上的迟滞扩散效应，以及性能上的鸡尾酒效应。通过系统的材料设计和制备工艺研究，高熵合金可以具有良好的力学性能，包括良好的强度和韧性，以及优异的抗高温性能和抗腐蚀性能。

[0004] 当前，高熵合金主要采用熔铸法制备，这种方法难以制备高熵合金多孔材料。针对高熵合金多孔材料的制备，研究者提出先采用雾化法制备出高熵合金预合金粉末，再通过后续压制、烧结的方式制备多孔体。这种方法由于需要将多种主元金属熔化并雾化制粉，具有高能耗的特点。而且预合金粉末的压制性能较差，压制过程往往需要加入大量的成形剂，造成脱除过程中大量排放的问题。同时，该方法制备多孔材料过程中，其孔隙的形成只能来源于粉末颗粒之间的间隙空间，因此在制备过程中往往需要加入造孔剂，存在后续脱除的问题，具有较长工序和较高成本。

发明内容

[0005] 为了克服上述背景技术的不足，本发明提出了一种AlCrFeNiSiTi高熵合金多孔材料及其制备方法，该方法采用元素粉末的反应合成方法制备AlCrFeNiSiTi高熵合金多孔材料。

[0006] 本发明AlCrFeNiSiTi高熵合金多孔材料中Al、Cr元素可以起到增强合金抗高温氧化性能的作用，Fe、Ni元素可以起到提高材料力学性能的作用，Si、Ti元素可以起到增强合金抗腐蚀性能的作用。多个主元元素协同作用，赋予该体系的多孔高熵合金良好的材料性能，在苛刻环境的过滤领域和电极领域具有良好的应用前景。此外，本发明的方法以各主元的元素粉末为原料，成本低廉，并且具有较好的压制性能，在制备过程中仅需要加入少量的润滑剂，具有低能耗和低成本的特点。而且，采用元素粉末之间的反应制备合金材料，可以充分利用元素之间的偏扩散引起的Kirkendall效应来生成孔隙，孔结构的可控性较好，不需要加入造孔剂，不存在后续脱除造孔剂的问题，具有短流程和高性能的特点。

[0007] 为达到本发明的目的，本发明的AlCrFeNiSiTi高熵合金多孔材料按照原子百分比包含Al：10％-20％，Cr：10％-20％，Fe：10％-20％，Ni：10％-20％，Si：10％-20％，Ti：10％-20％。

[0008] 优选地，所述AlCrFeNiSiTi高熵合金多孔材料按照原子百分比包含Al：10％-15％，Cr：15％-20％，Fe：15％-20％，Ni：15％-20％，Si：10％-15％，Ti：15％-20％。

[0009] 为达到本发明的目的，本发明还提供了一种AlCrFeNiSiTi高熵合金多孔材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

[0010] (1)成分配比：采用Al、Cr、Fe、Ni、Si、Ti元素粉末为原料，按照Al：10％-20％，Cr：10％-20％，Fe：10％-20％，Ni：10％-20％，Si：10％-20％，Ti：10％-20％的原子百分比配比混料；

[0011] (2)粒度配比：主元元素中，Al、Ti的粉末粒度最粗，粒度范围为-200目；Cr、Si的粉末粒度中等，粒度范围为-325目；Fe、Ni的粉末粒度最细，粒度范围为-400目；

[0012] (3)物料混合：将各主元元素粉末放入混料机进行混合；

[0013] (4)加润滑剂：在混合好的粉末中加入润滑剂，加入后在真空干燥箱中干燥；

[0014] (5)冷压成形后真空烧结：真空烧结中加热采用四阶段烧结工艺，第一阶段温度为-2 -120-250℃，保温时间为30-60分钟，升温速率控制在15-20℃/min，真空度控制在10 -10
1Pa；第二阶段温度为350-500℃，保温时间为60-120分钟，升温速率控制在5-15℃/min，真空度控制在10-3-10-2Pa；第三阶段温度为550-700℃，在该阶段温度范围内可设1个及以上的保温平台，总的保温结时间为240-600分钟，升温速率控制在1-5℃/min，真空度控制在
10-3-10-2Pa；第四阶段温度为900-1200℃，保温时间为180-480分钟，升温速率控制在1-5℃/min，真空度控制在10-3-10-2Pa；

[0015] (6)随炉冷却：烧结完成后，随炉冷却至室温。

[0016] 进一步地，所述步骤(1)中按照Al：10％-15％，Cr：15％-20％，Fe：15％-20％，Ni：15％-20％，Si：10％-15％，Ti：15％-20％的原子百分比配比混料。

[0017] 进一步地，所述步骤(3)中混料机为V型混料机，混料气氛采用惰性气体保护，混料时间为8-72小时。

[0018] 进一步地，所述步骤(4)中加入占粉末质量百分比1-3％的润滑剂。

[0019] 进一步地，所述步骤(4)中润滑剂为硬脂酸。

[0020] 进一步地，所述步骤(4)中采用硬脂酸酒精溶液的方式加入润滑剂。

[0021] 进一步地，所述步骤(4)中干燥温度60-70℃，时间30-240分钟。

[0022] 进一步地，所述步骤(5)中采用模压或冷等静压方式压制，压力为80-350MPa。

[0023] 本发明所述四阶段烧结工艺中第一阶段主要去除坯体粉末颗粒表面吸附的氧化性气体，第二阶段主要脱除润滑剂，以及进一步净化粉末颗粒表面，第三阶段主要利用Al、Si等元素的快速扩散在坯体中生成Kirkendall孔隙，同时抑制体系中可能存在的高温自蔓延反应，第四阶段主要实现各个主元元素之间的充分扩散，完成材料的成分和物相的均匀化。

[0024] 本发明的有益效果包括但不限于以下三方面：

[0025] 1.采用元素粉末的反应合成方法，制备AlCrFeNiSiTi高熵合金多孔材料，以各主元的元素粉末为原料，成本低廉，并且具有较好的压制性能，在制备过程中仅需要加入少量的润滑剂，具有低能耗和低成本的特点；

[0026] 2.充分利用元素之间的偏扩散引起的Kirkendall效应来生成孔隙，孔结构的可控性较好，而且不需要加入造孔剂，不存在后续脱除造孔剂的问题，具有短流程和高性能的特点；

[0027] 3.提出制备AlCrFeNiSiTi高熵合金多孔材料，Al、Cr元素可以增强合金抗高温氧化性能，Fe、Ni元素可以提高材料力学性能，Si、Ti元素可以增强合金抗腐蚀性能，多个主元元素协同作用，赋予该体系的多孔高熵合金良好的材料性能，在苛刻环境的过滤领域和电极领域具有良好的应用前景。

具体实施方式

[0028] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。应当理解，以下描述仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0029] 本文中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。

[0030] 当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，当公开了范围“1至5”时，所描述的范围应被解释为包括范围“1至4”、“1至3”、“1至2”、“1至2和4至5”、“1至3和5”等。当数值范围在本文中被描述时，除非另外说明，否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。

[0031] 本发明要素或组分前的不定冠词“一种”和“一个”对要素或组分的数量要求(即出现次数)无限制性。因此“一个”或“一种”应被解读为包括一个或至少一个，并且单数形式的要素或组分也包括复数形式，除非所述数量明显只指单数形式。

[0032] 此外，下面所描述的术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不是必须针对相同的实施例或示例。而且，本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0033] 实施例1

[0034] 采用Al、Cr、Fe、Ni、Si、Ti元素粉末为原料，按照如下成分配比混料(按照原子百分比)，Al：14％，Cr：18％，Fe：20％，Ni：19％，Si：12％，Ti：17％。Al、Ti粒度范围为-200目；Cr、Si粒度范围为-325目；Fe、Ni粒度范围为-400目。将各主元元素粉末放入V型混料机进行混合，混料气氛采用惰性气体保护，混料时间24小时。在混合好的粉末中加入质量百分比为2％的硬脂酸作为润滑剂，采用硬脂酸酒精溶液的方式加入，加入后在真空干燥箱中干燥，干燥温度70℃，时间120分钟。采用模压方式压制，压力为150MPa。烧结采用真空烧结方式，加热采用四阶段烧结工艺。第一阶段温度为150℃，保温时间为30分钟，升温速率控制在20℃/min，真空度控制在10-2-10-1Pa。第二阶段温度为450℃，保温时间为90分钟，升温速率控制在5℃/min，真空度控制在10-3-10-2Pa。第三阶段温度为560和620℃，保温结时间分别为
180和240分钟，升温速率控制在2℃/min，真空度控制在10-3-10-2Pa。第四阶段温度为1050℃，保温结时间为240分钟，升温速率控制在5℃/min，真空度控制在10-3-10-2Pa。烧结完成后，随炉冷却至室温。

[0035] 实施例2

[0036] 采用Al、Cr、Fe、Ni、Si、Ti元素粉末为原料，按照如下成分配比混料(按照原子百分比)，Al：10％，Cr：20％，Fe：15％，Ni：15％，Si：20％，Ti：20％。Al、Ti粒度范围为-200目；Cr、Si粒度范围为-325目；Fe、Ni粒度范围为-400目。将各主元元素粉末放入V型混料机进行混合，混料气氛采用惰性气体保护，混料时间24小时。在混合好的粉末中加入质量百分比为2％的硬脂酸作为润滑剂，采用硬脂酸酒精溶液的方式加入，加入后在真空干燥箱中干燥，干燥温度70℃，时间120分钟。采用模压方式压制，压力为150MPa。烧结采用真空烧结方式，加热采用四阶段烧结工艺。第一阶段温度为150℃，保温时间为30分钟，升温速率控制在20℃/min，真空度控制在10-2-10-1Pa。第二阶段温度为450℃，保温时间为90分钟，升温速率控-3 -2
制在5℃/min，真空度控制在10 -10 Pa。第三阶段温度为560和620℃，保温结时间分别为
180和240分钟，升温速率控制在2℃/min，真空度控制在10-3-10-2Pa。第四阶段温度为1050℃，保温结时间为240分钟，升温速率控制在5℃/min，真空度控制在10-3-10-2Pa。烧结完成后，随炉冷却至室温。

[0037] 实施例3

[0038] 采用Al、Cr、Fe、Ni、Si、Ti元素粉末为原料，按照如下成分配比混料(按照原子百分比)，Al：15％，Cr：15％，Fe：18％，Ni：20％，Si：15％，Ti：17％。Al、Ti粒度范围为-200目；Cr、Si粒度范围为-325目；Fe、Ni粒度范围为-400目。将各主元元素粉末放入V型混料机进行混合，混料气氛采用惰性气体保护，混料时间24小时。在混合好的粉末中加入质量百分比为2％的硬脂酸作为润滑剂，采用硬脂酸酒精溶液的方式加入，加入后在真空干燥箱中干燥，干燥温度70℃，时间120分钟。采用模压方式压制，压力为150MPa。烧结采用真空烧结方式，加热采用四阶段烧结工艺。第一阶段温度为150℃，保温时间为30分钟，升温速率控制在20℃/min，真空度控制在10-2-10-1Pa。第二阶段温度为450℃，保温时间为90分钟，升温速率控制在5℃/min，真空度控制在10-3-10-2Pa。第三阶段温度为560和620℃，保温结时间分别为
180和240分钟，升温速率控制在2℃/min，真空度控制在10-3-10-2Pa。第四阶段温度为1050℃，保温结时间为240分钟，升温速率控制在5℃/min，真空度控制在10-3-10-2Pa。烧结完成后，随炉冷却至室温。

[0039] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。