一种五元等组分高熵合金及其高熵合金齿轮的制备方法

本发明属于高熵合金材料，更具体的涉及一种五元等组分高熵合金及其高熵合金齿轮的制备方法。

背景技术：

1、在人类发展历程中，新材料对人类的生活是至关重要的。人类的进步与金属材料的形成和发展是紧密相连的，并且在金属材料的发展起着重要作用。高熵合金的概念自提出以后，引起了科研工作者的广泛关注。目前，高熵合金的研究队伍正日益壮大，研究成果越来越多，不仅从广度上，更是从深度上，高熵合金作为一类新的合金材料备受关注，其成分多变、制备工艺多种多样，从而导致合金呈现出独特的组织形貌和性能特征。同时高温稳定性好等特性,是目前新型金属材料研究的热点。

2、高熵合金按组成元素的不同可以分为6大类,其中使用率较高的元素主要包含al、co、cr、fe、mn、ni、ti等，组成的cocrfeni系高熵合金大多具有简单的固溶体结构，且该系列合金在高温性能、延展性、抗蠕变性和耐腐蚀性等方面有优良表现。且其中最具代表性的为cocrfenial高熵合金，因其独特的bcc+fcc双相结构，能够同时获得高强度﹑高硬度以及一定塑性的良好综合力学性能。

3、鉴于al的密度低,且活泼性相对mg来说要低；因此考虑采用机械合金化制备含a1的等摩尔组分数的五元高熵合金粉末,且高熵粉末颗粒具有bcc+fcc双相结构,以期开发制备出密度跟铝合金接近,同时具有高强高硬的高性能合金材料具有重大工程应用意义。

4、同时利用高熵合金制备合金齿轮能使齿轮件保持其高强度和硬度的同时，拥有更好的耐腐蚀性和耐温性。由于在工程中很多齿轮暴露在腐蚀性物质的应用中，或者在航空航天和工业环境中，这些无一不对齿轮的耐腐蚀性和耐温性是一个巨大的考验。而且最为关键的一点是可定制的性能：通过调整高熵合金的成分以实现特定的机械和热性能，从而可以根据齿轮应用的要求进行定制。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足或改进需求，本发明提供了一种五元等组分高熵合金材料及其制备方法。该高熵合金通过等原子百分比的五种金属元素组成，分别为ni、co、fe、cr、al；该高熵合金粉末颗粒具有bcc+fcc双相结构。

2、本发明的另一目的在于提供一种高熵合金齿轮的制备方法，在相同的应用场景下，大幅度提高其齿轮的承载能力，延长齿轮的使用寿命。该高熵合金粉体采用球磨混粉+机械合金化制备,该高熵合金齿轮采用放电等离子烧结工艺制备。

3、本发明的技术方案如下：

4、一种五元等组分高熵合金，分别为ni、co、fe、cr、al五种金属元素，且所述五种金属元素为等摩尔比。

5、一种高熵合金齿轮件，且所述的齿轮件需要特定的模具及工艺条件。

6、一种五元等组分高熵合金齿轮件的制备方法,包括以下步骤：

7、（1）将ni、co、fe、cr、al各单质元素按照等摩尔比进行称重配粉，并均匀混合，得到均匀混合的粉末。

8、（2）将制备的粉末倒入球磨罐中，同时加入少量的控制剂；完成所述步骤后对球磨罐内部进行抽真空，向抽过真空的球磨罐内充入保护气体。

9、（3）将球磨罐进行高能球磨，使其进行机械合金化，得到高熵合金粉末，并用真空袋密封。

10、（4）将制备的高熵合金粉末放入特定的石墨模具中，将模具整体移至等离子烧结炉内，将等离子烧结炉内抽真空，使真空度达到10~30pa。在完成上述步骤后，开始制备五元等组分高熵合金的齿轮材料，其中烧结压力为20~80mpa，升温速率为40~120℃/min，烧结温度为600~1000℃，保温时间为10~60min，使设备内温度均匀的同时使齿轮内部的压力均匀。烧结完成之后进行去压、冷却并从模具出取出所需材料。

11、步骤（1）所述的金属单质原料纯度均大于或等于99.9％。

12、步骤（2）所述的球磨机采用行星球磨机；所述球磨处理的球料比为（10~20）：1；所述的球磨时间为4~8h；所述转速为400~500rpm/min；所述的气体保护为高纯氩气；所述球磨方式为间歇法，转40~60min，间歇10~20min，持续如此，直到达到4~8h的球磨时间。

13、步骤（4）所述的放电等离子烧结要在真空度为10~30pa的真空环境下进行烧结。所述的烧结压力为20~80mpa；所述的升温速率为40~120℃/min；所述的烧结温度为600~1000℃；所述的保温时间为10~60min。

14、步骤（2）中所述的控制剂为无水乙醇，滴入量为五种金属单质粉量总质量的5~10％。

15、本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

16、（1）本发明的高熵合金为五元等组分cocrfenial高熵合金,其中各金属元素之间的原子比等同,并且为共晶组织的高熵合金。

17、（2）本发明所采用的混粉工艺为行星球磨混粉，通过较高的转速，可以获得混合均匀的金属粉末。

18、（3）本发明所涉及的高能球磨不需要低温冷冻处理,同时加入少量乙醇,制备过程安全可靠,无需静置过滤处理、成本低、粉末颗粒成分均匀,粒径细小、出粉率高。

19、（4）本发明所涉及的混粉、高能球磨全在氩气环境下进行，以保证更大程度的降低粉末颗粒被氧化的可能性,以保证获得高纯度的高熵颗粒粉末。

20、（5）本发明所涉及的放电等离子烧结工艺，具有制备温度低、耗时少，操作简单、抑制晶粒长大、真空度低，适用于制备高熵合金齿轮。

21、（6）本发明所涉及的高熵合金齿轮件与传统合金齿轮相比，具有可以调整高熵合金的成分以实现特定的机械和热性能，且可以表现出较低的摩擦系数和磨损率，这有助于提高齿轮系统的效率并降低能耗。

技术特征：

1.一种五元等组分高熵合金五元等组分高熵合金及其高熵合金齿轮的制备，其特征在于所述高熵合金包括镍、钴、铁、铬、铝五种金属元素，所述五种金属元素为等摩尔比，且所述高熵合金的相为fcc+bcc双相结构。

2.根据权利要求1所述的五元等组分高熵合金，其特征在于bcc相结构占据主导，所述金属元素镍、钴、铁、铬、铝在两相中均有分布。

3.如权利要求1所述的五元等组分高熵合金及其高熵合金齿轮的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的五元等组分高熵合金的制备方法，其特征在于，在所属步骤1中所述金属单质原料纯度均大于或等于99.9％。

5.根据权利要求3所述的五元等组分高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述的球磨机采用行星球磨机；所述球磨处理的球料比为（10~20）：1；所述的球磨时间为4~8h；所述转速为400~500rpm/min；所述的气体保护为高纯氩气；所述球磨方式为间歇法，转40~60min，间歇10~20min，持续如此，直到达到4~8h的球磨时间。

6.根据权利要求3所述的五元等组分高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤（4）中，所述放电等离子烧结要在真空度为10~30pa的真空环境下进行烧结。

7.根据权利要求3所述的五元等组分高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤（4）中，所述的烧结压力为20~80mpa；所述的升温速率为40~120℃/min；所述的烧结温度为600~1000℃；所述的保温时间为10~60min。

8.根据权利要求3所述的五元等组分高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述的控制剂为无水乙醇，滴入量为五种金属单质粉量总质量的5~10％。

技术总结本发明公开了一种五元等组分高熵合金及其高熵合金齿轮的制备方法，该高熵合金包括五种金属元素，分别为镍、钴、铁、铬、铝；该高熵合金为共晶型结构，其独特的BCC+FCC的双相结构为其带来了极其稳定的热力学性能。本发明采用高能球磨和放电等离子烧结工艺制备高熵合金粉料及其高熵合金齿轮，整个制备过程的工艺操作简单，价格成本低廉，制作周期短暂；同时该高熵合金材料因其独特的结构，使其制备的齿轮材料具有高硬度、耐磨性且有一定柔韧性的优异力学性能，能够很好的应用于医疗、航天等结构材料领域。技术研发人员：刘聪,王辛,俞兆旭,李庆宁,边芷若受保护的技术使用者：哈尔滨理工大学技术研发日：技术公布日：2024/6/5