[发明专利]一种碳化物增强高熵合金复合材料的制备方法

说明书

本申请涉及一种采用机械合金化(MA)和放电等离子烧结(SPS)制备碳化物增强高熵合金复合材料(HEC)的方案，特别地涉及到一种同时以两种方式将碳化物引入高熵合金制备高熵化合物的方法：(1)将碳氢化合物添加剂通过机械合金化反应生成碳化物的方式引入高熵合金制备原位高熵合金复合材料，简称HEC_in；(2)向高熵合金中添加碳化物颗粒制备非原位高熵合金复合材料，简称HEC_ex。本专利以制备FeCoNiCrMn高熵合金复合材料为典型案例进行详细说明，制备方法如下：将Fe、Co、Ni、Cr、Mn五种金属粉末和球磨控制剂C₇H₁₆通过机械合金化制备FeCoNiCrMn/C粉末，即HEC_in粉末。然后添加TaC、TiC粉末混合获得FeCoNiCrMn/C/TaC/TiC粉末，即HEC_ex粉末。最终通过放电等离子烧结获得FeCoNiCrMn高熵合金复合材料(HEC)。

技术领域

本申请属于高熵合金复合材料领域，尤其涉及一种碳化物增强高熵合金复合材料(HEC)的制备方法。

背景技术

高熵合金作为一种新型多组分合金，打破了传统合金成分单一主元的限制，优异的性能在很宽的温度范围内能够保持稳定，通常构成传统合金(例如钢或基于铝，镁和钛的成分)的替代品。FeCoNiCrMn合金是典型的具有单一FCC结构的高熵合金，在室温和低温下具有较高的延展性和较高的断裂韧性。然而，纯FeCoNiCrMn合金的屈服强度仅为800MPa，较低的屈服强度和硬度限制了其在结构领域的进一步应用。因此，如何能在保证FeCoNiCrMn高熵合金本身具有优异性能的同时提高其强度和硬度，具有重要的研究意义。

目前，为了进一步改善FeCoNiCrMn合金的综合力学性能，研究学者往往通过冷拔变形、热锻和退火等严重的塑性变形来加工，或通过引入金属元素Al、非金属元素C、N以及陶瓷相TiC或SiC等来改变化学成分。其中，陶瓷增强金属基复合材料兼具韧性金属基和硬质陶瓷的优点。TaC和TiC都具有高熔点、高硬度、良好的化学稳定性和优异的耐磨性。此外，TiC具有良好的润湿性能，广泛应用于金属基复合材料中，并且TaC通常用作晶粒细化剂。在高熵合金中引入陶瓷颗粒形成高熵合金复合材料(HEC)可以提高其强度、硬度以及耐磨性。

在制备工艺上，目前常见的制备工艺包括熔炼法和粉末冶金法。其中，采用电弧熔炼法往往会出现偏析疏松等组织缺陷，且铸态的高熵合金往往脆性较大，应用范围较小。粉末冶金法作为制备颗粒增强复合材料的常见工艺，但是管式炉烧结升温速度慢且保温时间长，获得的样品组织晶粒较大，无法得到综合力学性能优异的高熵合金。放电等离子烧结过程是在温度场、压力场和电场的共同作用下，烧结颈中和颗粒内部因脉动电流形成的温度梯度和瞬时高温促进了原子扩散过程，从而获得晶粒组织细小的块体材料。对于高熵合金复合材料的制备，采用机械合金化(MA)和放电等离子烧结(SPS)相结合的方式可获得具备优异综合力学性能的高熵合金复合材料(HEC)。

发明内容

发明目的：为了提高高熵合金的硬度和强度，本申请提供了一种碳化物增强高熵合金复合材料(HEC)的制备方法

技术方案：本发明提出一种碳化物增强高熵合金复合材料(HEC)的制备方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：HEC_in粉末的制备

在氩气为保护气体的氛围下，将Fe、Co、Ni、Cr、Mn五种金属元素粉末和球磨控制剂(PCA)正庚烷C₇H₁₆置于不锈钢球磨罐，添加三种粒径不同的磨球后封盖不锈钢罐身，固定在球磨机上球磨得到引入正庚烷原位碳元素的机械合金化FeCoNiCrMn/C粉末，即HEC_in粉末；

步骤2：HEC_ex粉末的制备