[发明专利]3D打印用高熵合金粉末及其制备方法和应用

说明书

本发明属于粉末冶金和3D打印技术领域，具体涉及3D打印用高熵合金粉末及其制备方法和应用。本发明所要解决的技术问题是提供3D打印用高熵合金粉末及其制备方法和应用。该高熵合金粉末，组分按原子质量百分比计：Cr：0.2‑16.6％，Mn：0.2‑16.6％，Fe：0.2‑16.6％，Co：0.2‑16.6％，Ni：0.2‑16.6％，Mo：0.2‑16.6％，余量为金属基陶瓷相金属元素。制备方法包括真空熔炼、脱氧处理、净化熔体、雾化制粉。该高熵合金粉末能实现高强度、高硬度和高耐磨零件的3D打印。

技术领域

本发明属于粉末冶金和3D打印技术领域，具体地，涉及3D打印用高熵合金粉末及其制备方法和应用。

背景技术

3D打印(增材制造)技术是一种基于材料逐层堆积的新型制造技术。该技术将复杂的三维加工转变为简单的二维加工，最大限度的提高零件设计自由度，使设计者能着重考虑功能的实现，而减少零件加工方面对零件设计的限制，从而能最大限度的实现产品的功能。该技术适应于当前的个性化、小批量生产，较多应用在产品研发阶段的样件试制阶段。随着金属3D打印技术的日益成熟，3D打印制备高性能金属材料得到不断发展和应用。现在市场上成熟的3D打印用金属有AlSi10Mg，TC4，CpTi，IN718，316L等。近年来，一些研究机构和大学开始研究更多的金属材料用于3D打印，如Zr基非晶合金、TiAl等，但还没有达到实用化阶段，且相比较传统合金，品种仍然十分有限。另一方面，由于3D打印工艺的特殊性，其成形的材料强度和硬度分散性大，如3D System公司的maraging steel铁基粉末采用选择性激光熔化成形加工制备的零件硬度为37HRC，经热处理后硬度可达到56HRC，拉伸强度达到1100MPa，断裂伸长率约为7％；即便如此，材料的性能在XY方向与Z方向却有显著差异，其拉伸强度差值可达到600MPa。由于3D打印的零件存在孔隙且各部位质量不均，大大限制了3D打印在工业领域的应用。近年来，一些研究人员采用3D打印成形微量陶瓷与高熵合金基体的复合材料，利用陶瓷相增强金属的强度、硬度和耐磨性，在模具领域显现出良好应用前景。但是，这种工艺使用机械力混合两种材料，容易产生成分与粒径分布不均的问题，导致3D打印制品性能的不均匀和不稳定性。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供3D打印用高熵合金粉末，所述3D打印用高熵合金粉末组分按原子质量百分比计，包括：Cr：0.2-16.6％，Mn：0.2-16.6％，Fe：0.2-16.6％，Co：0.2-16.6％，Ni：0.2-16.6％，Mo：0.2-16.6％，余量为金属基陶瓷相金属元素。

优选的，所述3D打印用高熵合金粉末组分按原子质量百分比计，包括：Cr：10-16.6％，Mn：10-16.6％，Fe：10-16.6％，Co：10-16.6％，Ni：10-16.6％，Mo：10-16.6％，余量为金属基陶瓷相金属元素。

其中，所述金属基陶瓷相金属元素为Zr、Al、Be、Mg、Y、Zn、Ti、B、Ba或Ta中的至少一种。

其中，所述金属基陶瓷相金属元素来自金属基陶瓷相颗粒和/或纯元素。

其中，所述金属基陶瓷相颗粒为碳化金属化合物、氮化金属化合物、金属氧化物或硅化金属化合物中至少一种。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供上述3D打印用高熵合金粉末的制备方法，包括以下步骤：

(1)真空熔炼：原料按比例混合后进行真空感应熔炼，得到熔体；

(2)脱氧处理：对熔体进行脱氧处理；

(3)净化熔体：将脱氧处理后的熔体进行净化；

(4)雾化制粉：将净化好的熔体进行气雾化，喷射沉积即得高熵合金粉末。

其中，上述3D打印用高熵合金粉末的制备方法中，所述步骤(1)中，真空度为15～200Pa，熔化时先用70％～80％功率供电加热，待电流冲击停止后以60～80kW全功率供电。