1.本發(fā)明涉及高熵合金的技術領域。

背景技術：

2.硬質合金是由難熔金屬的硬質化合物和粘結金屬通過粉末冶金工藝制成的一種合金材料，常見的碳化鎢基金屬陶瓷，該材料具有較高速鋼更高的耐磨性與紅硬性，以及較超硬材料更佳的韌性，被廣泛應用于切削工具、工程機械、耐磨耐腐零件、石油礦山鉆具等國民經濟的各大領域，被譽為“工業(yè)的牙齒”。

3.傳統(tǒng)的硬質合金耐磨性能差，且在高溫下由于粘結相的存在，其硬度會降低；另一方面，作為傳統(tǒng)的粘結相材料，鈷是一種資源匱乏性金屬，且隨著其進一步作為電池生產原材料大量應用于電動汽車行業(yè)，價格也水漲船高，使得傳統(tǒng)硬質合金除了性能日漸不能滿足人們的生產需求外，以鈷作為粘結相的硬質合金的生產成本也逐漸增高，此外，粘結相材料鈷還具有致癌性這一缺陷，因此尋找新型材料代替鈷在硬質合金的應用迫在眉睫。

技術實現要素：

4.為解決上述現有技術的缺陷，本發(fā)明的目的在于提出一種新的應用方法，其通過將鋁鈷鉻鐵鎳高熵合金用作碳化鎢的潤濕材料和/或粘結材料，可對硬質化合物碳化鎢產生顯著的潤濕效果，得到性能更優(yōu)異的硬質合金。

5.本發(fā)明的目的還在于提出上述應用方法中，所述高熵合金的應用性能的表征方法及其制備方法。

6.本發(fā)明首先提供了如下的技術方案：

7.鋁鈷鉻鐵鎳高熵合金的應用方法，為將鋁鈷鉻鐵鎳高熵合金用作硬質化合物碳化鎢的潤濕材料和/或粘結相材料。

8.根據本發(fā)明的一些具體實施方式，所述鋁鈷鉻鐵鎳高熵合金選自alco

0.4

crfeni

2.7

和/或alcocrfeni

2.1

。

9.本發(fā)明同時提供了上述應用方法中所述高熵合金的應用性能表征方法，其包括：

10.(1)取所述高熵合金的顆粒放置于碳化鎢基板上，并將該負載高熵合金顆粒的碳化鎢基板放置于水平放置的氧化鋁載體上；

11.(2)將所述載體在真空條件下加熱，同時開啟高速相機記錄高熵合金在碳化鎢基板上的潤濕狀態(tài)變化情況；

12.(3)加熱至溫度達到1350℃時，保溫4

?

6min，停止加熱，根據相機記錄的圖片測量潤濕角，得到所述高熵合金對所述碳化鎢的潤濕性能的表征結果。

13.根據本發(fā)明的一些優(yōu)選實施方式，所述高熵合金的顆粒的大小為2.5mm

×

2.5mm

×

2.5mm

?

3.5mm

×

3.5mm

×

3.5mm的顆粒。

14.根據本發(fā)明的一些優(yōu)選實施方式，所述碳化鎢基板的尺寸為9.5mm

×

9.5mm

×

2.5mm

?

10.5mm

×

10.5mm

×

3.5mm，表面粗糙度ra小于3μm。

15.根據本發(fā)明的一些優(yōu)選實施方式，步驟(2)中，所述真空條件的真空度為1

×

10

?

4pa。

16.根據本發(fā)明的一些優(yōu)選實施方式，所述加熱的速率為15℃/min。

17.本發(fā)明還提出了上述高熵合金alco

0.4

crfeni

2.7

或alcocrfeni

2.1

的制備方法，其包括：

18.(1)按所述高熵合金的化學式，以各金屬元素在

±

0.3％誤差范圍內的摩爾比，稱取純度≥99.95wt.％的al、co、cr、fe和ni五種金屬原料；

19.(2)將稱取后的原料放入密封的熔煉容器中；

20.(3)對所述熔煉容器進行抽真空，至其真空度達到1

×

10

?3pa；

21.(4)向抽真空后的容器中充入惰性氣體；

22.(5)在惰性氣體保護下，對金屬原料進行加熱熔煉；

23.(6)對步驟(5)得到的熔體進行精煉；

24.(7)停止加熱，將步驟(6)所得熔體進行澆鑄成型，獲得所述高熵合金。

25.根據本發(fā)明的一些優(yōu)選實施方式，上述制備方法的步驟(2)中，所述原料按其熔點自低至高的順序從下至上加入所述熔煉容器中。

26.根據本發(fā)明的一些優(yōu)選實施方式，上述制備方法的步驟(3)中，所述真空度達到1

×

10

?

3pa時，即對所述熔煉容器進行預加熱，至各金屬原料變紅且真空度維持不變后，再進行步驟(4)所述的惰性氣體的充入，且氣壓達到400pa時停止充氣。

27.根據本發(fā)明的一些優(yōu)選實施方式，上述制備方法的步驟(5)中，先以1.0

?

2.0kw/min的加熱速率進行加熱，至達到60kw時不再增加加熱功率，步驟(6)中，共進行3次精煉，每次精煉的時間為4

?

6min。

28.本發(fā)明具備以下有益效果：

29.alcocrfeni高熵合金在熱力學上具有高熵效應，在動力學上具有緩慢擴散效應，在組織上具有高穩(wěn)定性，在結構上具有晶格畸變效應及性能上的“雞尾酒”效應，具有高硬度，高耐磨性等性能，本發(fā)明意外地發(fā)現將其用作wc的粘結相材料時，可作為優(yōu)異硬質合金co粘結相的替代物。

30.本發(fā)明意外地發(fā)現alco

0.4

crfeni

2.7

和alcocrfeni

2.1

對wc有特別顯著的潤濕效果，在與wc復合下，可形成連續(xù)的金屬相，提高材料的力學性能，其良好的潤濕性還可抑制wc顆粒的生長，提高燒結塊體的致密度，優(yōu)化硬質合金的性能。

31.本發(fā)明的表征方法操作簡單易行，可以觀察到潤濕的動力學行為，并且直接準確地確定潤濕角的大小。

附圖說明

32.圖1為alco

0.4

crfeni

2.7

(a)和alcocrfeni

2.1

(b)的掃描電鏡(sem)圖。

33.圖2為alco

0.4

crfeni

2.7

和alcocrfeni

2.1

的xrd圖。

34.圖3為alco

0.4

crfeni

2.7

對wc在1350℃下的潤濕性能表征過程示意圖。

35.圖4為alcocrfeni

2.1

對wc在1350℃下的潤濕性能表征過程示意圖。

具體實施方式

36.以下結合實施例和附圖對本發(fā)明進行詳細描述，但需要理解的是，所述實施例和附圖僅用于對本發(fā)明進行示例性的描述，而并不能對本發(fā)明的保護范圍構成任何限制。所有包含在本發(fā)明的發(fā)明宗旨范圍內的合理的變換和組合均落入本發(fā)明的保護范圍。

37.根據本發(fā)明的技術方案，一種具體的實施方式選擇高熵合金alco

0.4

crfeni

2.7

和/或alcocrfeni

2.1

作為對碳化鎢具有潤濕性的粘結相材料，合金中各元素的摩爾比可在

±

0.3％的誤差范圍內變化。

38.上述兩種高熵合金可進一步通過以下步驟制備得到：

39.(1)按摩爾比，在誤差范圍內稱取純度≥99.95wt.％的al、co、cr、fe和ni五種金屬原料；

40.(2)將稱取后的原料放入真空感應磁懸浮熔煉爐銅坩堝中,放料前將爐膛和銅坩堝清理干凈，放入原料后，將真空感應磁懸浮熔煉室密封；

41.(3)使用機械泵對真空感應磁懸浮熔煉爐抽真空，至真空度達到10pa以下后啟動分子泵抽真空，至真空度達到1

×

10

?3pa時停止抽真空；

42.(4)向真空感應磁懸浮熔煉爐中充入高純氬氣(純度≥99.999％)，使合金在保護氣體下熔煉；

43.(5)開啟加熱電源，進行熔煉，該過程中各金屬熔化、脫氣，并可去除低熔點有害雜質和夾渣，熔為一體；

44.(6)進行精煉，該過程可進一步通過脫氧、除雜等凈化合金，并在電磁場作用下，伴隨電磁攪拌作用使合金熔體中的夾雜物遷移至熔體表面，同時使合金熔體的成分融合和受熱均勻；

45.(7)關閉加熱電源，將合金熔體澆鑄到鋼模中，從而得到合金鑄錠。

46.其中，優(yōu)選的，

47.步驟(2)中，所述原料按其熔點自低至高的順序從下至上疊放，以使熔化后的原料揮發(fā)較少，提高合金成分的穩(wěn)定性。

48.步驟(3)中，真空度達到1

×

10

?3pa時即進行預加熱，可進一步除去合金中的氣體及易揮發(fā)雜質。

49.步驟(4)中，先進行預加熱，至合金原料變紅且真空度維持不變后再開始充充入高純氬氣，且氣壓達到400pa時為止。

50.步驟(5)中，先以5kw/3min的加熱速率進行加熱，至達到60kw時不再增加加熱功率，以使在夾渣及雜質的去除和氣體的脫除的同時進一步增加合金有效成分中低熔點組元的富集和揮發(fā)，并消除對設備的不利。

51.步驟(6)中，共進行3次精煉，每次精煉保持時間為5min，可進一步在去除極大部分夾渣的同時提高合金組織致密。

52.步驟(7)中，采用重力鑄造的方法進行澆鑄。

53.制得的高熵合金alco

0.4

crfeni

2.7

和/或alcocrfeni

2.1

對碳化鎢的潤濕性可進一步通過以下性能表征方法進行表征、評價：

54.(1)取高熵合金顆粒放置于wc基板上，并將該兩者放置于加熱室中水平放置的氧化鋁載體上；

55.(2)將加熱室抽真空至1

×

10

?4pa，開始加熱，同時開啟高速相機記錄高熵合金在wc基板上隨溫度增加和時間延長的潤濕狀態(tài)變化情況；

56.(3)當溫度升至1350℃時，保溫5min，停止加熱，根據相機記錄的圖片測量潤濕角；

57.其中，優(yōu)選的，

58.步驟(1)中，高熵合金顆粒為打磨后大小約為3mm

×

3mm

×

3mm的顆粒，可在使用前通過無水酒精超聲波清洗5min；

59.步驟(1)中，wc基板尺寸為10mm

×

10mm

×

3mm，表面粗糙度ra小于3μm，可在使用前通過無水乙醇超聲波清洗5min；

60.步驟(1)中，氧化鋁載體與水平方向的誤差角小于

±2°

。

61.步驟(2)中，加熱速度為15℃/min。

62.實施例1

63.按具體實施方式所述制備方法制備alco

0.4

crfeni

2.7

和alcocrfeni

2.1

，其中：高純度al、co、cr、fe和ni(≥99.95wt.％)五種原材料利用電子天平稱重備用，稱重誤差在

±

0.3％范圍內，原料總質量為3kg；然后將配好的原料依次放入銅坩堝中，先用機械泵抽真空，真空度達到10pa以下后啟動分子泵抽真空，待真空度達到1

×

10

?3pa時進行預加熱，充高純氬氣到400pa，其后以5kw/3min的速率進行加熱，加熱至60kw時加熱功率不再增加，金屬熔化后，精煉3次，每次5分鐘，以確保加入的添加元素均勻擴散。最后關閉加熱電源，將合金熔體澆鑄到鋼模中，從而得到合金鑄錠。

64.對所得alco

0.4

crfeni

2.7

和alcocrfeni

2.1

合金進行微觀結構表征，可得如圖1所示的的sem圖像及圖2所示的xrd譜圖，從圖中可以看出，alco

0.4

crfeni

2.7

為共晶組織，alcocrfeni2.1為亞共晶組，二者均形成了bcc(alni富集相)和fcc(fecrco富集相)雙相結構。

65.實施例2

66.按具體實施方式所述表征方法表征實施例1所得的alco

0.4

crfeni

2.7

和alcocrfeni

2.1

對wc的潤濕性能，具體包括：

67.取經打磨后大小約為3mm

×

3mm

×

3mm、用無水酒精超聲波清洗過的高熵合金(heas)顆粒放置于尺寸為10mm

×

10mm

×

3mm、表面粗糙度ra小于3μm，用無水乙醇超聲波清洗過的wc基板上，如附圖3或4的(a)所示；其后將負載高熵合金顆粒的wc基板放置于加熱室的氧化鋁載體上，調節(jié)氧化鋁載體至水平，誤差小于

±2°

，加熱室真空抽至小于1

×

10

?4pa，以15℃/min的加熱速率開始加熱，同時開啟高速相機記錄潤濕隨溫度增加和時間延長的情況，至溫度升至1350℃時，保溫5min，停止加熱，根據相機記錄的圖片測量1350℃時的潤濕角。

68.測試結果分別如附圖3、4所示，其中(a)為初始狀態(tài)，(b)、(e)為1350℃時的潤濕狀態(tài)，(c)、(f)為(b)、(e)選定區(qū)域的放大，結果顯示wc/alco

0.4

crfeni

2.7

的潤濕角為2.04

°

，wc/alcocrfeni

2.1

的潤濕角為1.25

°

，可以看出，該兩種高熵合金對wc具有優(yōu)異的潤濕性能，可抑制wc顆粒粗大，從而達到細化晶粒，提高致密度，優(yōu)化wc/heas復合材料的力學性能的作用。

69.以上實施例僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不僅局限于上述實施例。凡屬于本發(fā)明思路下的技術方案均屬于本發(fā)明的保護范圍。應該指出，對于本技術領

域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下的改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。技術特征：

1.鋁鈷鉻鐵鎳高熵合金的應用方法，其特征在于：將鋁鈷鉻鐵鎳高熵合金用作硬質化合物碳化鎢的潤濕材料和/或粘結相材料。2.根據權利要求1所述的應用方法，其特征在于：所述鋁鈷鉻鐵鎳高熵合金選自alco

0.4

crfeni

2.7

和/或alcocrfeni

2.1

。3.權利要求1所述的應用方法中所述高熵合金的應用性能表征方法，其特征在于：包括：(1)取所述高熵合金的顆粒放置于碳化鎢基板上，并將該負載高熵合金顆粒的碳化鎢基板放置于水平放置的氧化鋁載體上；(2)將所述載體在真空條件下加熱，同時開啟高速相機記錄高熵合金在碳化鎢基板上的潤濕狀態(tài)變化情況；(3)加熱至溫度達到1350℃時，保溫4

?

6min，停止加熱，根據相機記錄的圖片測量潤濕角，得到所述高熵合金對所述碳化鎢的潤濕性能的表征結果。4.根據權利要求3所述的表征方法，其特征在于：所述高熵合金的顆粒的大小為2.5mm

×

2.5mm

×

2.5mm

?

3.5mm

×

3.5mm

×

3.5mm的顆粒。5.根據權利要求3所述的表征方法，其特征在于：所述碳化鎢基板的尺寸為9.5mm

×

9.5mm

×

2.5mm

?

10.5mm

×

10.5mm

×

3.5mm，表面粗糙度ra小于3μm。6.根據權利要求3所述的表征方法，其特征在于：步驟(2)中，所述真空條件的真空度為1

×

10

?4pa，和/或所述加熱的速率為15℃/min。7.權利要求2所述的高熵合金的制備方法，其特征在于：包括：(1)按所述高熵合金的化學式，以各金屬元素在

±

0.3％誤差范圍內的摩爾比，稱取純度≥99.95wt.％的al、co、cr、fe和ni五種金屬原料；(2)將稱取后的原料放入密封的熔煉容器中；(3)對所述熔煉容器進行抽真空，至其真空度達到1

×

10

?3pa；(4)向抽真空后的容器中充入惰性氣體；(5)在惰性氣體保護下，對金屬原料進行加熱熔煉；(6)對步驟(5)得到的熔體進行精煉；(7)停止加熱，將步驟(6)所得熔體進行澆鑄成型，獲得所述高熵合金。8.根據權利要求7所述的制備方法，其特征在于：步驟(2)中，所述原料按其熔點自低至高的順序從下至上加入所述熔煉容器中。9.根據權利要求7所述的制備方法，其特征在于：步驟(3)中，所述真空度達到1

×

10

?3pa時，即對所述熔煉容器進行預加熱，至各金屬原料變紅且真空度維持不變后，再進行步驟(4)所述的惰性氣體的充入，且氣壓達到400pa時停止充氣。10.根據權利要求7所述的制備方法，其特征在于：步驟(5)中，先以1.0

?

2.0kw/min的加熱速率進行加熱，至達到60kw時不再增加加熱功率，步驟(6)中，共進行3次精煉，每次精煉的時間為4

?

6min。

技術總結

本發(fā)明公開了鋁鈷鉻鐵鎳高熵合金的應用、應用性能表征及制備方法，其中，所述應用方法為將鋁鈷鉻鐵鎳高熵合金用作硬質化合物碳化鎢的潤濕材料和/或粘結相材料，并在一些具體實施方式中，應用了高熵合金AlCo

技術研發(fā)人員：張勇 張明晨

受保護的技術使用者：北京科技大學

技術研發(fā)日：2021.06.18

技術公布日：2021/9/14