[发明专利]一种基于高熵硼化物析出强化钢及其制备方法

说明书

本专利申请公开了一种基于高熵硼化物析出强化钢及其制备方法，该方法包括以下步骤：步骤1，获取多种硼化物的材料结构，优化并计算其混合焓，找出在TiBsubgt;2/subgt;中混合焓为负的硼化物；步骤2，使用Thermo‑Calc软件对复合材料进行热力学模拟，选择一种在熔化过程中析出18‑20vol%硼化物颗粒的钢成分；步骤3，根据热力学模拟结果，计算所需各种样品的重量，称量、干燥、球磨；步骤4，采用真空感应熔炼炉熔炼并铸造，并进行热处理；步骤5，对铸造后的样品进行表征分析。该方法用计算模拟与实验相结合，大大降低研究周期和研究成本，而且工艺简单，对环境污染小，并且研制出来的高熵硼化物硬度较高、强度高、热稳定性好，未来可用于载人航天，国防军工以及汽车制造等方面。

技术领域

本发明涉及钢铁复合材料领域，具体涉及一种基于高熵硼化物析出强化钢及其制备方法。

背景技术

近年来，人们对被称为高熵的多组分陶瓷的发展越来越感兴趣，因为它们可以表现出比单一碳化物更高的硬度和抗氧化性，并且在许多高温应用方面也可能有潜力，加之高熵材料的核心效应(高熵效应、缓慢扩散、晶格畸变和鸡尾酒效应)的原因导致高熵陶瓷比起单一的陶瓷来说有性能的改善。高熵硼化物通常被定义为四或五种近似等摩尔的单一硼化物的固溶体，通过增强的构型熵来稳定，使吉布自由能最小化。或者，高熵硼化物也可以定义为具有四种或四种以上近等摩尔的主要金属元素的硼化物，或每种金属元素的含量在5％到35％之间的硼化物。

迄今为止，高熵硼化物的制备方法有很多种，许多报道的制造高熵硼化物的方法包括铸造、溅射、激光熔覆和机械合金化。铸造方法铸件组织不够致密，存在缩孔、气孔、渣、裂纹等缺陷，晶粒粗细不均。可以通过磁控溅射在钢表面镀上高熵硼化物和碳化物，但是不能实现强磁性材料的低温高速溅射。而机械合金化则涉及在室温高能球磨中对粉末颗粒进行反复的冷焊、断裂和再焊。以混合粉末为原料，采用机械合金化技术可制备出体积小、均匀的高熵合金粉末，虽应用广泛，但存在效率较低，介质污染严重的问题。自蔓延高温合成结合放电等离子烧结技术也能制备致密的硼化物高熵陶瓷，但由于自蔓延高温反应过程难以随意调控，生成的物相中杂质较多，较低的高熵陶瓷纯度会影响其应用效果。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于高熵硼化物析出强化钢及其制备方法，该方法经过计算模拟与实验相结合，大大降低研究周期和研究成本，而且工艺简单，对环境污染小，并且研制出来的高熵硼化物硬度较高、强度高、热稳定性好，未来可用于载人航天，国防军工以及汽车制造等方面。

本发明所采用的技术方案如下：

一种基于高熵硼化物析出强化钢的制备方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，基于目前开放的数据库(Materials Project、OQMD、SprInger Materials、ICSD和NIST)以及相关文献渠道获取多种硼化物的材料结构，采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，使用Materials studio或者VASP软件优化并计算其混合焓，找出在TiB₂中混合焓为负的硼化物；

步骤2，使用Thermo-Calc软件对不同合金元素等摩尔比的复合材料进行热力学模拟，选择一种在熔化过程中析出18-20vol％硼化物颗粒的钢成分，模拟结果用于下一步制备样品；

步骤3，根据热力学模拟结果，选择一种成分来创建样品，计算所需各种样品的重量，使用精度万分之一的天平进行称量，并使用干燥箱干燥，高能球磨机球磨；

步骤4，使用氩气或氮气为保护气的真空感应熔炼炉进行熔炼并铸造，并进行热处理；

步骤5，对铸造后的样品进行切片处理并使用一系列仪器进行表征分析。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：