高熵合金制備方法及常見高熵合金粉末介紹

目前，傳統(tǒng)合金設計理念仍沒有脫離以一種元素為主的傳統(tǒng)合金設計思路，阻礙了人們對多主元合金體系的探索。進入21世紀，高熵合金的概念慢慢走進合金開發(fā)的中心，2004 年葉均蔚教授提出并將其命名為高熵合金（ HEAs ）高熵合金是由 5 種或 5 種以上等摩爾比或近等摩爾比的元素組成，其大部分的微觀結構主要由簡單 BCC 相、 FCC 相或HCP 相構成。這種由多種主元元素組成的高混合熵的合金表現(xiàn)出了傳統(tǒng)合金所不具備的高強度、高耐磨、高耐腐蝕能力，也為研究優(yōu)異力學性能的合金材料找到了一條新的道路。

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高熵合金的制備方法

高熵合金主要是由多種多個主要與補充元素組成的高混合熵合金，通常具有固溶體相組織，其組織中的晶粒通常是常規(guī)尺寸的。高熵合金的組成元素的熔點、密度、原子半徑可能接近，也可能相差較大。根據(jù)現(xiàn)有的研究與應用經(jīng)驗，高熵合金的制備方法與現(xiàn)有的非晶態(tài)合金制備技術基本相同。目前比較常見的制備方法包括電弧熔煉、電阻感應熔煉、機械合金化、激光熔凝等。

1.1 電弧熔煉法

電弧熔煉作為目前高熵合金制備的常用方法之一，其優(yōu)勢突顯為有較高的熔煉溫度，但是其較難調整調整合金成分，每次的熔煉量也只能是少量的。目前的電弧熔煉就是通過將混合料放入銅坩堝中，利用電弧熱加熱真空熔煉。 Ng 等利用非自耗型電弧熔煉爐方法制備了 Al0.5CoCrCuFeNi 高熵合金研究了其在不同溫度下熱處理表現(xiàn)出的各種力學性能。

1.2 感應熔煉

電阻熔煉區(qū)別于電弧熔煉熔煉溫度要低一些，但其熔煉的成分純度較高，且比電弧熔煉爐的造價低，因此有些低熔點易揮發(fā)簡單的高熵合金制備更傾向于感應熔煉。感應熔煉爐主要由簡單的線圈作為加熱裝置、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)和銅坩堝構成。其原理是利用電磁感應在線圈中產(chǎn)生渦流的方法對金屬進行熔煉。由于需要在加熱前將所有料放入銅坩堝中，因此要考慮到在溫度升高時各元素各自之間的反應，需要注意裝料的順序及元素塊或粉的相鄰關系。夏松欽等通過感應熔煉制備了 Al x CoCrFeNi高熵合金，與電弧熔煉相比，感應熔煉制備出的鑄錠成分更加均勻。

1.3 機械合金化

機械合金化制備方法主要分為三個步驟。首先，先采用粉末冶金法制備各組成元素的粉末；接著，按設計的組成元素比例混合，在模具中壓制成塊狀；最后，置于燒結爐燒結或熱壓燒結或放電等離子燒結。最后燒結方式的選擇主要由高熵合金的燒結溫度決定。機械化合金的主要優(yōu)勢在于可以獲得更均勻的納米級組織分布。HariPrasad 等采用機械化合成法制備了含有分散氧化鋁的 FeNiCoCrAlMn 高熵合金。研究表明：氧化鋁的分散對合金的組織沒有影響。兩種合金均具有 FCC 和 BCC 雙相結構，并含有少量的 Mn 3 Co 7相。最近高熵陶瓷也是用此方法。

1.4 激光覆凝

激光覆凝是將激光技術、控制系統(tǒng)和計算機輔助制造（ CAM ）結合在一起的一種跨學科技術。在激光熔覆中使用激光束熱源，在其作用下，預先放置或同步進給的粉末以及基底的薄層將快速熔化和固化，與基底形成冶金結合。Borkar 等利用激光覆凝技術，通過設定各進料噴頭進料速度的變化制備出在垂直方向上存在含Al 量具有濃度梯度的 Al x CrCuFeNi 2 高熵合金。實現(xiàn)在一個鑄態(tài)合金中研究含 Al 量不同對高熵合金微觀組織和性能的影響。 Yao 等利用選擇性激光熔煉（ SLM ）工藝參數(shù)和氣相霧化合金粉末制備了幾乎完全致密的 AlCrFeNiV 高熵合金，其內部微觀組織顯示柱狀晶中形成亞晶結構，并伴隨著位錯和 L12 納米相的非均勻分布，宏觀表現(xiàn)出較好的強度和良好的塑性。

常見高熵合金粉末

相對于傳統(tǒng)合金，高熵合金在抗腐蝕、抗輻照、韌性高、熱穩(wěn)定性高等方面的特點尤為突出，其中傳統(tǒng)合金一直無法解決的在強度和韌性兩者之間的取舍關系問題，在高熵合金中得到了突破，實現(xiàn)了高強高韌的“雙高”組合，因此高熵合金粉末在粉末冶金領域，尤其是激光熔覆涂層應用及金屬3D打印方面的研究越來越受到重視。

根據(jù)市場需求，佛山市鋮豐材料推出多款應用于激光熔覆和3D打印的球形高熵合金粉末。分別有低熔點系列CoCrFeNiAl,AlCoCrFeNi2.1，難熔金屬系列WMoTaNbV, WMoTaNb。成分精準，低氧含量，流動性好，晶相均勻。詳細參數(shù)如下所示:

AlCoCrFeNi2.1粉末性能表征