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粉末冶金高熵合金將獲更多用武之地

2020-08-06 08:38:00

  本報實習記者 趙萍
  “高熵合金具有高強度、高硬度、磁特性等性能,在耐腐蝕、耐高溫、耐磨性等方面具有極好的應用效果,可用于焊接材料、儲氫材料、耐蝕材料等的制造?!?月25日,中南大學粉末冶金研究院高溫結構材料研究所所長劉彬在由中國有色金屬學會主辦、中南大學承辦的有色金屬云課堂上介紹了粉末冶金高熵合金的性能特點、制備方法和成形方法等,并對粉末冶金高熵合金的發展和應用進行了展望。
  高熵合金可能具有理想的優異性能
  在傳統概念中,合金中加入的金屬種類越多則越容易脆化,然而含有多種金屬的高熵合金卻不會脆化。學界認為,高熵合金可能具有很多理想的優異性能。因此,高熵合金作為一種新材料在材料科學及工程領域受到大量關注和高度重視。
  劉彬介紹,高熵合金具有四大核心效應,包括熱力學上的高熵效應——單相固溶體結構、晶體結構上的嚴重晶格畸變效應、動力學上的擴散遲滯效應、雞尾酒效應——優異的綜合性能。比如,晶格畸變提高了高熵合金的強度,使其具備優異的力學性能;納米孿生誘發高熵合金優異的斷裂韌性,在低溫環境中具備極好的應用潛力;優異的高溫力學性能和擴散遲滯效應導致高熵合金在高溫下結構穩定。同時,研究發現,高熵合金在高劑量輻照條件下結構穩定,并具有低且穩定的熱膨脹率、較低的熱導率和較好的超導性能。此外,高熵合金具有優異的耐腐蝕性能,在高濃度硫酸、鹽酸、硝酸等腐蝕溶液環境中,較傳統不銹鋼更耐蝕。
  “目前,高熵合金研究最多的是3D過渡族高熵合金(Fe、Co、Cr、Ni、Mn等)和難熔系列高熵合金(W、Mo、Ta、Nb、V等)?!眲⒈蛘f。
  5種高熵合金粉末制備方法
  近年來,隨著增材制造等相關技術逐漸趨于成熟,粉末冶金高熵合金逐漸進入學界和業界的研究視野。相較于傳統鑄造高熵合金,粉末冶金高熵合金可以將高熵合金的性能優勢更好地發揮出來,在不同領域實現更多可能。
  劉彬介紹,相較于傳統鑄造高熵合金,粉末冶金高熵合金在組織結構上容易獲得成分均勻、組織細小的合金材料,可制備高熔點材料(包括鎢基耐輻照合金、難熔高熵高溫構件、高熵硬質合金等)、高性能涂層(包括超硬、耐磨、耐輻照、耐腐蝕等)等,也可通過增材制造技術(激光送粉法LMDF、選區激光熔化SLM、電子束粉床法EBM)制備復雜構件。此外,通過近凈成形技術可實現高熵合金的低成本制備,破解高熵合金制備成本高的難題,推動高熵合金的快速應用。
  “目前,高熵合金特種粉末主要有5種制備方法?!眲⒈蚪榻B。第一種是機械合金化(MA)法,金屬或合金粉末在高性能球磨機中通過粉末顆粒與磨球長時間的激烈沖擊、碰撞,使粉末顆粒反復產生冷焊、斷裂,導致粉末顆粒中原子擴散,從而獲得合金化粉末?!斑@種方法幾乎適用于所有高熵合金,但制備出的粉末球形度不夠,容易產生雜質,且一些介質會產生合金化元素污染,不便于在下一步成形制備中使用?!眲⒈蛱貏e指出。
  第二種是緊耦合惰性氣體霧化法(GA)。該方法是通過熔煉爐將合金熔為液體,由導管流到噴盤里,再通過出氣口將液體打散,形成小液滴,待冷卻后變成球形粉末。這種制備方法成本低,制備出的粉末粒度細、球形度好,但不適用于加工難熔(上限溫度為1800攝氏度左右)或高活性的高熵合金。
  如何制備高活性、高純凈度的高熵合金粉末呢?劉彬介紹了第三種制備方法——電極感應熔煉氣霧化法(EIGA)。這種方法是將高熵合金材料熔成電極后,放入感應線圈加熱形成液流,通過高壓氣體沖擊液流,最后得到氣化粉末。劉彬介紹,這種制備方法沒有坩堝污染,制出的粉末粒度細,雜質含量低。
  “目前制備高熵合金粉末比較熱門和常見的方法是第四種——旋轉電極霧化法(PREP)?!眲⒈蛘f道,這種方法是在鎢電極和高熵合金試樣電極之間通過大量電流,使試樣尖端熔化,在熔化的同時使電極高速旋轉,利用離心力作用將熔化的液體甩出去形成小液滴,待小液滴冷卻后形成粉末。劉彬指出:“這種制備方法沒有坩堝污染,制備出的粉末球形度好、雜質含量低,適用于制備高活性粉末?!?/span>
  “如果遇到熔點很高的高熵合金可以使用等離子球化法。通過等離子球化法制備出的這類高熵合金粉末球形度好、成分均勻?!眲⒈蚪榻B了第五種制備方法。這種方法是利用等離子體里8000~10000攝氏度高溫瞬間熔化高熵合金形成液體,通過表面張力作用形成液滴,待液滴冷卻后形成粉末。
  5種粉末冶金高熵合金成形方法
  當制備出高熵合金粉末后,下一步便是將高熵合金粉末制備成形。劉彬介紹了粉末冶金高熵合金成形方法。
  一是SPS(放電等離子燒結)方法,通過脈沖電流和上下模沖加壓實現等離子體燒結。這種方法升溫速度快、燒結溫度低、致密度高,適用于納米材料、復合材料、陶瓷材料等小型材料的制造,制造出的成品強度高但塑性較低。
  二是粉末擠壓成形法。這種方法將高熵合金粉末放置于模具中后將氣體抽出密封形成真空的坯體,將坯體放置于預熱好的擠壓機上進行擠壓,得到組織更細小、更均勻的合金成品。成品屈服強度高于采用傳統鑄造法制備的成品,綜合力學性能更優?!巴瑫r,這種方法也適用于制備復合材料?!眲⒈蛱貏e介紹,制備復合材料時,通過熱擠壓可原位形成彌散分布的達到納米尺度的氧化物相,最終得到具有良好高溫力學性能和輻照性能的合金材料,但不適用于難熔的高熵合金材料。
  三是熱等靜壓(HIP)成形方法。劉彬介紹,這種方法將粉末制成坯體后,通過熱等靜壓機進行高溫高壓變形,制造出的合金結構致密,且具有各向同性效果,材料利用率高,生產周期短,可實現近凈成形。
  “研究表明,高熵合金涂層在耐磨性方面具有極好的應用潛力?!眲⒈蚪榻B了第四種制備高熵合金涂層的方法,包括熱噴涂法(大氣等離子噴涂、超音速火焰噴涂)、等離子或激光熔覆方法(適用于復合材料)等。
  此外,還可以通過第五種方法,即增材制造的方法來使高熵合金粉末成形,包括選區激光熔化法、激光送粉法(適用于制造大型構件)、電子束粉床法(適用于制備熱裂傾向大的材料)等。
  劉彬認為,粉末冶金高熵合金在多個領域顯示出很好的應用發展前景。其中,在輻照領域,高熵合金可用于制造反應堆包殼管、聚變堆第一壁、偏濾器等材料;在海洋、石化、航空航天等領域,高熵合金可用于制造高溫、耐磨、耐蝕等高性能涂層。
  同時,劉彬建議,下一步,基于材料基因工程設計思想,可利用粉末冶金高通量的制備與表征技術,實現高熵合金成分的快速篩選,縮短新合金研發周期;發揮粉末冶金工藝靈活性、成分過飽和性等優點,設計顆粒強韌化復合結構、層狀結構、梯度結構等的異質結構材料;可研究航空航天、生物醫用等復雜高熵合金構件及難成形高熵合金構件的增材制造技術,推進高熵合金的應用發展。
  

 

  

  名詞解釋
  高熵合金(High-entropy alloys)簡稱HEA,是由5種或5種以上等量或大約等量金屬組成的合金,沒有溶質和溶劑之分,化學無序,結構有序,是一種多維單相固溶體結構。其最早由中國臺灣科學家葉鈞蔚提出,在2010年左右得到學界廣泛關注。高熵合金由于具有優異的耐腐蝕、耐高溫、耐磨性等性能,可用于制作船用耐蝕構件、微機電加工元件、渦輪葉片等高精尖產品,在航空航天、海洋、化工等領域顯示出良好的應用前景。
  《中國冶金報》(2020年08月06日 03版三版)

 

來源:中國冶金報-中國鋼鐵新聞網

編輯:宋玉錚

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