省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室
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重点实验室纳米材料与技术团队在“高熵合金低成本制备技术方面”取得突破!

时间:2020-06-08

我校省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室喇培清教授带领的纳米材料与技术团队在“高熵合金低成本制备技术方面”获得重大突破!该团队自主研发的“一种MoCrFeMnNi高熵合金及其制备方法”、“一种TiCrFeNiMn高熵合金及其制备方法”获得国家知识产权局发明专利授权,专利号:ZL 2017 1 1173700.0和ZL 2017 1 1174536.5。

高熵合金(HEA),一般是指由五种或五种以上等原子比或接近等原子比金属元素形成的合金,每种元素原子百分比在5%~35%之间。高熵合金中每个原子都可以是溶质原子,每个原子具有相同概率占据晶格的任意位置而形成固溶体。高熵合金由于其特殊的组织结构,表现出高硬度、耐腐蚀、耐高温氧化等优异的物理化学性能,从而引起人们的广泛关注和研究。

高熵合金常用的制备方法是电弧炉熔炼法,但该方法对原料纯度要求高,设备复杂,同时需要反复熔炼来保证合金成分均匀,且沸点较低的金属在熔炼过程中易挥发,使得成分控制比较困难。此外,还有机械合金化法、激光熔覆法和磁控溅射法等,都对设备、原料要求较高,成本较高,难以工业化生产应用。

该团队采用“铝热法”制备了一系列的高熵合金,该方法生产设备简单,占地面积小,生产规模可调,产品种类多,且能耗小、周期短、成本低,具有广泛的工业化生产前景。铝热法的基本原理是各氧化物被Al还原成金属单质并相互扩散形成合金,Al则形成Al2O3,铝热反应过程中由于放热量较大,只需将反应炉加热到170 ℃,即可自发持续进行,反应产物被融化形成熔体,而Al2O3的密度与合金密度差异较大,密度较小的Al2O3上浮至熔体表面,密度较大的合金沉积到底部,从而获得较为纯净的高熵合金,具体形成过程如图1所示。

图1 TiCrFeMnNi高熵合金形成示意图

该发明专利提出了两种全新的MoCrFeMnNi、TiCrFeNiMn高熵合金,该高熵合金与现有的传统方法制备的AlCoFeCrNi高熵合金(~550 HV)相比具有更高的硬度,分别为810 HV和667 HV,可应用于对硬度要求更高的工况中,例如,高速切削用刀具。传统高速钢刀具在获得高硬度、高耐磨性的同时,牺牲了钢材的塑性、韧性,钢材塑性、韧性较差,刀具常常出现折断、崩刃等失效形式。而高熵合金在获得高硬度的同时,具有较好的塑性和韧性。此外,该专利文件中获得的高熵合金展现出较高的抗压强度(~1050 MPa),可用于制作各类工、模具,尤其是挤压模和塑料膜;还可以用于超高大楼的耐火骨架,化学工程、船舶的耐蚀高强度材料及涡轮叶片等。高熵合金的应用潜力巨大,应用领域广泛,该工作的完成有望高效快速地推动高熵合金的进一步研究和产业化应用。

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