[发明专利]一种高熵合金硼化物陶瓷及其制备方法和应用

说明书

本发明属硼化物陶瓷材料技术领域，公开了一种高熵合金硼化物陶瓷及其制备方法和应用。所述高熵合金硼化物陶瓷的分子式为Al_y(FeNiCoCr)_1‑x‑yB_x，其中0≤x≤1，0≤y≤1，所述高熵合金硼化物是将Al、Fe、Ni、Co、Cr和B经球磨制得Al_y(FeNiCoCr)_1‑x‑yB_x粉体；再通过放电等离子烧结加热速率50～200℃/min，在800～1500℃，恒定压力10～50Mpa下烧结，随炉冷却制得。本发明制备的Al_y(FeNiCoCr)_1‑x‑yB_x高熵合金硼化物粉末为类球形且粒径小，该陶瓷主相为FCC固溶体中弥散分布着Fe、Cr金属硼化物，具有高致密度、较高的硬度和耐磨性能。

技术领域

本发明属硼化物陶瓷材料技术领域，更具体地，涉及一种高熵合金硼化物陶瓷(Al_y(FeNiCoCr)_1-x-yB_x，0≤x≤1，0≤y≤1)及其制备方法和应用。

背景技术

上世纪末，提出高熵系列材料的概念，即由5种及以上元素组成，每种元素的原子百分比介于5％-35％之间，结构简单，多为BCC相、FCC相或BCC+FCC 双相结构。合金组元高度无序，组织简单，多为BCC、FCC或BCC+FCC双相结构，高熵效应有效抑制了金属间化合物的产生。

近年来，高熵系材料因为其具有高强度、高硬度、耐磨、耐腐蚀和耐高温软化等特性而受到国内外学者的广泛研究。已报道的高熵材料文献主要是采用真空熔炼和铸造的方法制备，制备的块体尺寸较小，而且因为使用到材料如镍、钴、铬等比较昂贵，使得制备的材料成本高。自2004年Cantor等首先报道了具有单一结构FeCrNiCoMn合金以来，该合金已受到广泛关注。FeCrNiCoMn合金具有简单的fcc固溶体结构，且在1100℃下保温6h后仍能稳定存在。该合金同时还具有非常好的锻造特性以及低温屈服强度。尽管该合金具有这些优异的性能，但该合金以fcc结构固溶体为主，硬度较低，这大大限制了其作为表面材料使用的寿命和范围。

目前，高熵系列材料主要采用电弧熔炼法制备，为了使各元素分布均匀，合金锭需要重复多次熔炼，工序复杂，较难制备大尺寸复杂形状的样件。受电弧熔炼水冷铜坩埚冷却的影响，铸锭易产生枝晶偏析、成分偏析和形成粗大的枝晶与柱状晶组织。粉末冶金法和表面涂层技术为该类合金的研究提供了新的发展方向，粉末冶金法可有效避免成分偏析并能细化晶粒，制备的合金具有良好的组织和成分均匀性；

机械合金化法能有效克服真空电弧熔炼法的问题，可制备良好化学均质性，细小晶粒甚至纳米晶高熵合金，还可制备陶瓷高熵合金复合材料。机械合金法不足之处在于球磨过程，球磨介质，球罐内气氛，过程控制剂可能会污染原料。因此，在制备高熵合金粉末以及烧结过程中，需严格控制和减少对粉末的污染，球磨引起加工硬化和非晶晶化，使得球磨后的合金粉末硬度显著增加。

硼是金属材料中重要的合金元素，硼作为固溶原子往往可极大的提高固溶体的硬度和耐磨性能。研究表明在合金中引入硼元素会生成金属硼化物硬质第二相，从而可以显著提升合金的力学性能。已有有关含硼合金块体研究结果显示硼在高熵合金中主要以固溶体和硼化物析出相形式存在。现将AlFeNiCoCr高熵合金中添加硼元素，利用机械化学法将硼元素固溶于合金元素之间，通过高能球磨强化高熵合金的晶格畸化效应，重点增加B元素及其他元素的固溶度，再经放电等离子烧结、热压烧结、气压烧结制备高熵合金块体，减少金属间化合物的析出，并通过改变硼元素含量，以此强化AlFeNiCoCrB_x高熵合金硼化物块体硬度并提高耐磨性。

发明内容