[發明專利]一種基于金屬預合金化的高熵陶瓷材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202210336920.5
• 申請日: 2022-03-31
• 公開（公告）號: CN114605154B
• 公開（公告）日: 2023-03-03
• 發明（設計）人: 祖宇飛;田洪亮;王梓;劉應軍;李丹丹;代吉祥;沙建軍;陳國清
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: C04B35/56
• 分類號: C04B35/56;C04B35/565;C04B35/58;C04B35/622;C04B35/626;C04B35/64;C04B35/645;B22F9/04;B22F3/14
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 劉秋彤

本發明屬于高熵陶瓷制備方法領域，具體涉及一種基于金屬預合金化的高熵陶瓷材料及其制備方法。以第IV副族、第V副族或第VI副族的金屬作為高熵陶瓷材料的金屬元素，先通過球磨法將金屬元素進行合金化形成單一BCC結構的多主元固溶體，再向多主元固溶體中添加非金屬元素，利用熱壓燒結或放電等離子燒結使非金屬元素與多主元固溶體發生反應生成高熵陶瓷材料。利用該方法可以實現在較低的溫度與壓力下制備高熵陶瓷材料，且所得陶瓷組元穩定、成分均勻、無偏析、無氧化物殘留等缺陷，在材料性能的提升與產品制備的成本控制方面均有益處。

技術領域

本發明涉及高熵陶瓷制備方法領域，更具體的是，本發明涉及一種通過金屬預合金化制備高熵陶瓷制備方法。

背景技術

高熵材料是一類由多種元素以等/近等摩爾比組成的多主元材料，打破了傳統的材料設計理念。高熵材料的多主元特征可以引起較大的混合熵，形成熵穩定多主元固溶體結構，表現出優于傳統材料性能的特征，是目前材料科學領域的前沿和熱點。高熵材料概念的提出，最早可追溯至2004年中國臺灣學者葉均蔚等人提出的高熵合金，經近20年的快速發展，正逐漸步入工程化應用。隨著研究的不斷深入，高熵材料設計理念已于2015年拓展至陶瓷領域。其中，高熵陶瓷是由五種或五種以上結構相似的陶瓷組成的單相固溶體，具有諸多優異的性能：極高的熔點、優良的室溫及高溫力學性能、以及優異的抗氧化、抗燒蝕、耐蝕性、生物相容性和電化學性能等，在航空航天、生物醫學等諸多領域具有更大的發展潛力。

近幾年，研究者們已開發出多種適用于高熵陶瓷的制備方法，如：熱壓燒結法、放電等離子燒結法、高溫自蔓延法、氧化物熱還原法等。然而，由于陶瓷材料存在物質擴散慢的本征問題，多種成分的陶瓷在燒結制備過程中難以形成單相固溶體，這就需要極高的燒結溫度和較長的保溫時間來實現多主元的高度固溶。這勢必會增大生產成本，并對生產設備提出更高的要求。例如，目前熱壓燒結法和放電等離子燒結法可獲得致密度較高且固溶度較好的高熵陶瓷，但其存在制備溫度過高的問題(通常高達2000℃)；如果降低制備溫度(1800℃)，則難以實現高熵陶瓷材料的高致密和/或高度固溶。此外，通過氧化物熱還原反應燒結法可一定程度降低制備溫度，但存在氧化物易殘留影響其高溫性能的問題。總之，高熵陶瓷制備目前仍面臨著制備溫度過高、工藝流程復雜、氧化物殘留、多主元難以完全固溶、成分偏析等問題，嚴重限制了其推廣與應用。因此，如何在較低溫度下制備高純、高度固溶且無偏析的高熵陶瓷，是其走向工程應用的關鍵之一。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于金屬預合金化的高熵陶瓷材料的低溫制備方法，解決傳統制備方法的制備溫度過高、工藝流程復雜、氧化物殘留、多主元難以完全固溶、成分偏析等問題。本發明首次采用金屬預合金化的思路在較低的溫度下成功制備高純高度固溶的高熵陶瓷材料。首先，將高熵陶瓷所需的金屬元素進行機械合金化形成預合金化金屬粉體，再根據高熵陶瓷具體物相比例來設計非金屬元素與金屬固溶體比例，在熱壓或放電等離子燒結過程中利用金屬固溶體與非金屬的反應同步實現高熵陶瓷的合成與致密化。該方法制備工藝簡單、所需溫度較低，所得高熵陶瓷具有成分均勻、多主元高度固溶、缺陷少、致密度高、無氧化物殘留、晶粒尺寸小等優點。

本發明的技術方案：

一種基于金屬預合金化的高熵陶瓷材料制備方法，以第IV副族、第V副族或第VI副族的金屬作為高熵陶瓷材料的金屬元素，先通過球磨法將金屬元素進行合金化形成單一BCC結構的多主元固溶體，再向多主元固溶體中添加非金屬元素，利用熱壓燒結或放電等離子燒結使非金屬元素與多主元固溶體發生反應生成高熵陶瓷材料。

進一步的，所述的金屬元素為Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W中的 5種以上混合；非金屬元素為B、C、Si中的一種或多種以上混合。

進一步的，一種基于金屬預合金化的高熵陶瓷材料制備方法，具體步驟如下：