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粉末冶金高熵合金将获更多用武之地

2020-08-06 08:38:00

  本报实习记者 赵萍
  “高熵合金具有高强度、高硬度、磁特性等性能,在耐腐蚀、耐高温、耐磨性等方面具有极好的应用效果,可用于焊接材料、储氢材料、耐蚀材料等的制造。”7月25日,中南大学粉末冶金研究院高温结构材料研究所所长刘彬在由中国有色金属学会主办、中南大学承办的有色金属云课堂上介绍了粉末冶金高熵合金的性能特点、制备方法和成形方法等,并对粉末冶金高熵合金的发展和应用进行了展望。
  高熵合金可能具有理想的优异性能
  在传统概念中,合金中加入的金属种类越多则越容易脆化,然而含有多种金属的高熵合金却不会脆化。学界认为,高熵合金可能具有很多理想的优异性能。因此,高熵合金作为一种新材料在材料科学及工程领域受到大量关注和高度重视。
  刘彬介绍,高熵合金具有四大核心效应,包括热力学上的高熵效应——单相固溶体结构、晶体结构上的严重晶格畸变效应、动力学上的扩散迟滞效应、鸡尾酒效应——优异的综合性能。比如,晶格畸变提高了高熵合金的强度,使其具备优异的力学性能;纳米孪生诱发高熵合金优异的断裂韧性,在低温环境中具备极好的应用潜力;优异的高温力学性能和扩散迟滞效应导致高熵合金在高温下结构稳定。同时,研究发现,高熵合金在高剂量辐照条件下结构稳定,并具有低且稳定的热膨胀率、较低的热导率和较好的超导性能。此外,高熵合金具有优异的耐腐蚀性能,在高浓度硫酸、盐酸、硝酸等腐蚀溶液环境中,较传统不锈钢更耐蚀。
  “目前,高熵合金研究最多的是3D过渡族高熵合金(Fe、Co、Cr、Ni、Mn等)和难熔系列高熵合金(W、Mo、Ta、Nb、V等)。”刘彬说。
  5种高熵合金粉末制备方法
  近年来,随着增材制造等相关技术逐渐趋于成熟,粉末冶金高熵合金逐渐进入学界和业界的研究视野。相较于传统铸造高熵合金,粉末冶金高熵合金可以将高熵合金的性能优势更好地发挥出来,在不同领域实现更多可能。
  刘彬介绍,相较于传统铸造高熵合金,粉末冶金高熵合金在组织结构上容易获得成分均匀、组织细小的合金材料,可制备高熔点材料(包括钨基耐辐照合金、难熔高熵高温构件、高熵硬质合金等)、高性能涂层(包括超硬、耐磨、耐辐照、耐腐蚀等)等,也可通过增材制造技术(激光送粉法LMDF、选区激光熔化SLM、电子束粉床法EBM)制备复杂构件。此外,通过近净成形技术可实现高熵合金的低成本制备,破解高熵合金制备成本高的难题,推动高熵合金的快速应用。
  “目前,高熵合金特种粉末主要有5种制备方法。”刘彬介绍。第一种是机械合金化(MA)法,金属或合金粉末在高性能球磨机中通过粉末颗粒与磨球长时间的激烈冲击、碰撞,使粉末颗粒反复产生冷焊、断裂,导致粉末颗粒中原子扩散,从而获得合金化粉末。“这种方法几乎适用于所有高熵合金,但制备出的粉末球形度不够,容易产生杂质,且一些介质会产生合金化元素污染,不便于在下一步成形制备中使用。”刘彬特别指出。
  第二种是紧耦合惰性气体雾化法(GA)。该方法是通过熔炼炉将合金熔为液体,由导管流到喷盘里,再通过出气口将液体打散,形成小液滴,待冷却后变成球形粉末。这种制备方法成本低,制备出的粉末粒度细、球形度好,但不适用于加工难熔(上限温度为1800摄氏度左右)或高活性的高熵合金。
  如何制备高活性、高纯净度的高熵合金粉末呢?刘彬介绍了第三种制备方法——电极感应熔炼气雾化法(EIGA)。这种方法是将高熵合金材料熔成电极后,放入感应线圈加热形成液流,通过高压气体冲击液流,最后得到气化粉末。刘彬介绍,这种制备方法没有坩埚污染,制出的粉末粒度细,杂质含量低。
  “目前制备高熵合金粉末比较热门和常见的方法是第四种——旋转电极雾化法(PREP)。”刘彬说道,这种方法是在钨电极和高熵合金试样电极之间通过大量电流,使试样尖端熔化,在熔化的同时使电极高速旋转,利用离心力作用将熔化的液体甩出去形成小液滴,待小液滴冷却后形成粉末。刘彬指出:“这种制备方法没有坩埚污染,制备出的粉末球形度好、杂质含量低,适用于制备高活性粉末。”
  “如果遇到熔点很高的高熵合金可以使用等离子球化法。通过等离子球化法制备出的这类高熵合金粉末球形度好、成分均匀。”刘彬介绍了第五种制备方法。这种方法是利用等离子体里8000~10000摄氏度高温瞬间熔化高熵合金形成液体,通过表面张力作用形成液滴,待液滴冷却后形成粉末。
  5种粉末冶金高熵合金成形方法
  当制备出高熵合金粉末后,下一步便是将高熵合金粉末制备成形。刘彬介绍了粉末冶金高熵合金成形方法。
  一是SPS(放电等离子烧结)方法,通过脉冲电流和上下模冲加压实现等离子体烧结。这种方法升温速度快、烧结温度低、致密度高,适用于纳米材料、复合材料、陶瓷材料等小型材料的制造,制造出的成品强度高但塑性较低。
  二是粉末挤压成形法。这种方法将高熵合金粉末放置于模具中后将气体抽出密封形成真空的坯体,将坯体放置于预热好的挤压机上进行挤压,得到组织更细小、更均匀的合金成品。成品屈服强度高于采用传统铸造法制备的成品,综合力学性能更优。“同时,这种方法也适用于制备复合材料。”刘彬特别介绍,制备复合材料时,通过热挤压可原位形成弥散分布的达到纳米尺度的氧化物相,最终得到具有良好高温力学性能和辐照性能的合金材料,但不适用于难熔的高熵合金材料。
  三是热等静压(HIP)成形方法。刘彬介绍,这种方法将粉末制成坯体后,通过热等静压机进行高温高压变形,制造出的合金结构致密,且具有各向同性效果,材料利用率高,生产周期短,可实现近净成形。
  “研究表明,高熵合金涂层在耐磨性方面具有极好的应用潜力。”刘彬介绍了第四种制备高熵合金涂层的方法,包括热喷涂法(大气等离子喷涂、超音速火焰喷涂)、等离子或激光熔覆方法(适用于复合材料)等。
  此外,还可以通过第五种方法,即增材制造的方法来使高熵合金粉末成形,包括选区激光熔化法、激光送粉法(适用于制造大型构件)、电子束粉床法(适用于制备热裂倾向大的材料)等。
  刘彬认为,粉末冶金高熵合金在多个领域显示出很好的应用发展前景。其中,在辐照领域,高熵合金可用于制造反应堆包壳管、聚变堆第一壁、偏滤器等材料;在海洋、石化、航空航天等领域,高熵合金可用于制造高温、耐磨、耐蚀等高性能涂层。
  同时,刘彬建议,下一步,基于材料基因工程设计思想,可利用粉末冶金高通量的制备与表征技术,实现高熵合金成分的快速筛选,缩短新合金研发周期;发挥粉末冶金工艺灵活性、成分过饱和性等优点,设计颗粒强韧化复合结构、层状结构、梯度结构等的异质结构材料;可研究航空航天、生物医用等复杂高熵合金构件及难成形高熵合金构件的增材制造技术,推进高熵合金的应用发展。
  

 

  

  名词解释
  高熵合金(High-entropy alloys)简称HEA,是由5种或5种以上等量或大约等量金属组成的合金,没有溶质和溶剂之分,化学无序,结构有序,是一种多维单相固溶体结构。其最早由中国台湾科学家叶钧蔚提出,在2010年左右得到学界广泛关注。高熵合金由于具有优异的耐腐蚀、耐高温、耐磨性等性能,可用于制作船用耐蚀构件、微机电加工元件、涡轮叶片等高精尖产品,在航空航天、海洋、化工等领域显示出良好的应用前景。
  《中国冶金报》(2020年08月06日 03版三版)

 

来源:中国冶金报-中国乐投亚洲新闻网

编辑:宋玉铮

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