[發明專利]一種基于高熵硼化物析出強化鋼及其制備方法

有效

• 申請號: 202210708814.5
• 申請日: 2022-06-21
• 公開（公告）號: CN114959425B
• 公開（公告）日: 2023-06-13
• 發明（設計）人: 種曉宇;賴思;汪廣馳;劉紅梅;馮晶;蔣業華
• 申請（專利權）人: 昆明理工大學
• 主分類號: C22C33/04
• 分類號: C22C33/04;C22C38/28;C22C38/26;C22C38/24;C22C38/22;C22C38/32;G06F30/20
• 代理公司: 重慶德立創新專利代理事務所(普通合伙) 50299
• 代理人: 王典彪

本專利申請公開了一種基于高熵硼化物析出強化鋼及其制備方法，該方法包括以下步驟：步驟1，獲取多種硼化物的材料結構，優化并計算其混合焓，找出在TiBsubgt;2/subgt;中混合焓為負的硼化物；步驟2，使用Thermo?Calc軟件對復合材料進行熱力學模擬，選擇一種在熔化過程中析出18?20vol%硼化物顆粒的鋼成分；步驟3，根據熱力學模擬結果，計算所需各種樣品的重量，稱量、干燥、球磨；步驟4，采用真空感應熔煉爐熔煉并鑄造，并進行熱處理；步驟5，對鑄造后的樣品進行表征分析。該方法用計算模擬與實驗相結合，大大降低研究周期和研究成本，而且工藝簡單，對環境污染小，并且研制出來的高熵硼化物硬度較高、強度高、熱穩定性好，未來可用于載人航天，國防軍工以及汽車制造等方面。

技術領域

本發明涉及鋼鐵復合材料領域，具體涉及一種基于高熵硼化物析出強化鋼及其制備方法。

背景技術

近年來，人們對被稱為高熵的多組分陶瓷的發展越來越感興趣，因為它們可以表現出比單一碳化物更高的硬度和抗氧化性，并且在許多高溫應用方面也可能有潛力，加之高熵材料的核心效應(高熵效應、緩慢擴散、晶格畸變和雞尾酒效應)的原因導致高熵陶瓷比起單一的陶瓷來說有性能的改善。高熵硼化物通常被定義為四或五種近似等摩爾的單一硼化物的固溶體，通過增強的構型熵來穩定，使吉布自由能最小化。或者，高熵硼化物也可以定義為具有四種或四種以上近等摩爾的主要金屬元素的硼化物，或每種金屬元素的含量在5％到35％之間的硼化物。

迄今為止，高熵硼化物的制備方法有很多種，許多報道的制造高熵硼化物的方法包括鑄造、濺射、激光熔覆和機械合金化。鑄造方法鑄件組織不夠致密，存在縮孔、氣孔、渣、裂紋等缺陷，晶粒粗細不均。可以通過磁控濺射在鋼表面鍍上高熵硼化物和碳化物，但是不能實現強磁性材料的低溫高速濺射。而機械合金化則涉及在室溫高能球磨中對粉末顆粒進行反復的冷焊、斷裂和再焊。以混合粉末為原料，采用機械合金化技術可制備出體積小、均勻的高熵合金粉末，雖應用廣泛，但存在效率較低，介質污染嚴重的問題。自蔓延高溫合成結合放電等離子燒結技術也能制備致密的硼化物高熵陶瓷，但由于自蔓延高溫反應過程難以隨意調控，生成的物相中雜質較多，較低的高熵陶瓷純度會影響其應用效果。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種基于高熵硼化物析出強化鋼及其制備方法，該方法經過計算模擬與實驗相結合，大大降低研究周期和研究成本，而且工藝簡單，對環境污染小，并且研制出來的高熵硼化物硬度較高、強度高、熱穩定性好，未來可用于載人航天，國防軍工以及汽車制造等方面。

本發明所采用的技術方案如下：

一種基于高熵硼化物析出強化鋼的制備方法，該方法包括以下步驟：

步驟1，基于目前開放的數據庫(Materials?Project、OQMD、SprInger?Materials、ICSD和NIST)以及相關文獻渠道獲取多種硼化物的材料結構，采用基于密度泛函理論的第一性原理計算方法，使用Materials?studio或者VASP軟件優化并計算其混合焓，找出在TiB₂中混合焓為負的硼化物；

步驟2，使用Thermo-Calc軟件對不同合金元素等摩爾比的復合材料進行熱力學模擬，選擇一種在熔化過程中析出18-20vol％硼化物顆粒的鋼成分，模擬結果用于下一步制備樣品；

步驟3，根據熱力學模擬結果，選擇一種成分來創建樣品，計算所需各種樣品的重量，使用精度萬分之一的天平進行稱量，并使用干燥箱干燥，高能球磨機球磨；

步驟4，使用氬氣或氮氣為保護氣的真空感應熔煉爐進行熔煉并鑄造，并進行熱處理；

步驟5，對鑄造后的樣品進行切片處理并使用一系列儀器進行表征分析。

相比現有技術，本發明的有益效果在于：