新型多主元等摩爾比貴金屬高熵合金的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及新型多主元等摩爾比貴金屬高熵合金，其組成和含量為Au、Pt、Pd、Rh、Ni和Cu各元素按照等摩爾比16.7±0.1mol％組成，換算為質(zhì)量比：Au～27.2±0.2wt％，Cu～8.8±0.2wt％，Ni～8.1±0.2wt％，Pt～27.0±0.2wt％，Pd～14.7±0.2wt％，Rh～14.2±0.2wt％，形成簡(jiǎn)單固溶體結(jié)構(gòu)的高熵合金。該合金的發(fā)明將高熵合金與貴金屬多元合金相結(jié)合，完善了高熵合金體系，開拓了貴金屬多元合金的設(shè)計(jì)思路和應(yīng)用領(lǐng)域，為從一個(gè)嶄新的角度挖掘貴金屬合金系統(tǒng)中的理論問題和運(yùn)用價(jià)值奠定了基礎(chǔ)。
【專利說明】
新型多主元等摩爾比貴金屬高熵合金
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種貴金屬系列多主元等摩爾比高熵合金。
【背景技術(shù)】
[0002]高熵合金是本世紀(jì)初由我國(guó)臺(tái)灣學(xué)者首先提出的多元合金設(shè)計(jì)理念[I]，這種合金包含多種主要組元，元素種類一般不低于5種，其中每種組元的摩爾含量介于5-35%之間，沒有一種元素超過50%;它打破了傳統(tǒng)合金設(shè)計(jì)以一或兩種元素為主體的思維方式，其所具有的高混合熵(組態(tài)熵)使該合金系統(tǒng)形成了特有的結(jié)構(gòu)，這樣的特點(diǎn)賦予了其許多傳統(tǒng)合金所不具有的由多種元素集體作用表現(xiàn)的性能[2]。通過適當(dāng)?shù)某煞衷O(shè)計(jì)，高熵合金可以獲得高硬度、高加工硬化、耐高溫軟化、耐高溫氧化、耐腐蝕、高電阻率、優(yōu)異的磁學(xué)性能等特性，優(yōu)于傳統(tǒng)合金[3-7]。其可應(yīng)用的領(lǐng)域包括各種刀具、模具;高爾夫球頭擊打面、油壓氣壓桿、鋼管和輥壓筒硬面;變壓器、馬達(dá)磁芯、磁頭、磁光盤、高頻軟磁薄膜;渦輪葉片、焊接材料、熱交換器、耐熱材料和微機(jī)電材料等[8，9]。高熵合金、大塊金屬玻璃和橡膠金屬被認(rèn)為是最近幾十年來合金化理論的三大突破[10]。
[0003]高熵合金的一個(gè)重要特色就是高混合熵(組態(tài)熵)，熵代表混亂度，一個(gè)系統(tǒng)的混亂度越高，熵越大。不同原子互相混合引起熵值的增加稱為混合熵(增)，根據(jù)Boltzmann假設(shè)，當(dāng)各合金元素為等摩爾比時(shí)，系統(tǒng)的混合熵達(dá)到最大值，此時(shí)η種元素所形成體系的混合熵為:
[0004]A Sconf = Rlnn
[0005]R為氣體常數(shù)，當(dāng)η = 2、3和5時(shí)，ASranf分別為0.69R、1.1R和1.61R，元素越多混合熵越高。為了充分發(fā)揮高熵效應(yīng)，一般定義高熵合金的主要元素?cái)?shù)目η多5，經(jīng)典Gibbs相律指出，η種元素的合金系統(tǒng)，其平衡相數(shù)ρ = η+1，非平衡條件下ρ>η+1，而在已報(bào)道的多主元高熵合金中，其結(jié)構(gòu)大多Sp<n+1的簡(jiǎn)單固溶體結(jié)構(gòu)，有的甚至有納米晶或非晶出現(xiàn)。研究者們將這些現(xiàn)象歸因于高熵穩(wěn)定效應(yīng)[2]，認(rèn)為由于多種主要元素形成固溶體合金的高混合熵(增)增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加強(qiáng)了元素間的互溶，從而抑制相分離以及復(fù)雜金屬間化合物的生成。從熱力學(xué)的角度:
[0006]AG= AH-TAS
[0007]在一個(gè)系統(tǒng)中，AG越低則系統(tǒng)越穩(wěn)定，因此無論是吸熱還是放熱(ΔΗ)，只要能提高系統(tǒng)的A S值，就可以降低系統(tǒng)自由能，使系統(tǒng)更穩(wěn)定。高熵合金中巨大的混合熵使其在熔化狀態(tài)的熵值比形成金屬間化合物的熵變大，有效抑制了金屬間化合物的生成，使得簡(jiǎn)單固溶體結(jié)構(gòu)能在凝固過程中穩(wěn)定的保留下來。
[0008]高熵合金有四個(gè)突出的特點(diǎn)[11]，1.高混合熵效應(yīng)，由于系統(tǒng)具有極高的混合熵，其大大促進(jìn)了組元之間的相容，避免相分離而導(dǎo)致合金中端際固溶體或金屬間化合物等復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)生;2.晶格畸變效應(yīng)，多種不同元素相容，使得晶格高度畸變，缺陷激增，甚至可能坍塌成為非晶，這種嚴(yán)重的晶格畸變必然會(huì)對(duì)材料的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)甚至化學(xué)性能產(chǎn)生影響；3.遲滯擴(kuò)散效應(yīng)，高熵合金中由于劇烈的晶格畸變阻礙了組元之間原子的協(xié)同擴(kuò)散，限制了合金中的有效擴(kuò)散速率，導(dǎo)致基體中形核和長(zhǎng)大困難，有利于納米晶和非晶相的生成;4.“雞尾酒”效應(yīng)，高熵合金的“雞尾酒”效應(yīng)是源于元素的基本特性以及它們之間的相互作用呈現(xiàn)出的一種復(fù)合效應(yīng)，通過合理的配方選擇，可以使高熵合金獲得諸多性能的組合。
[0009]金屬材料的開發(fā)與使用對(duì)人類文明起著巨大的推動(dòng)作用，從日常生活到國(guó)防科技建設(shè)，各類金屬材料扮演著重要的角色。由于純金屬單質(zhì)的性能所限，合金成為金屬運(yùn)用的普遍形式，現(xiàn)在已開發(fā)使用的合金系約有三十余種[12]。傳統(tǒng)合金主要以一或兩種金屬元素為主，通過添加少量其他合金元素以獲得所需性能，新型合金特別是多元合金的研制和開發(fā)至今仍是材料科學(xué)界的一項(xiàng)重要的內(nèi)容。國(guó)內(nèi)發(fā)明專利說明書《電接觸材料金基合金》(CN1073637C)[13]公開的一種新型電接觸材料金基合金，以Au為主要組元，添加適量的Pd、Pt、Cu、N1、Rh，成為一種高可靠性，長(zhǎng)壽命，穩(wěn)定性好的電接觸材料，其設(shè)計(jì)思路仍沿襲傳統(tǒng)的合金設(shè)計(jì)理念，以一種元素為基礎(chǔ)，通過少量或微量添加其它元素來進(jìn)一步改善合金性能，達(dá)到或接近使用目的。
[0010]參考文獻(xiàn):
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0024]本發(fā)明的目的在于將高熵合金設(shè)計(jì)理念與傳統(tǒng)貴金屬多元合金相結(jié)合，創(chuàng)新地提出一種多主元等摩爾比貴金屬高熵合金。
[0025]本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)現(xiàn)在于將Au、Pt、Pd、Rh、Ni和Cu以等摩爾比方式相混合形成高熵合金。
[0026]本發(fā)明使用的411^?(1、1^、祖和01純度均大于99.95%，按照等摩爾比方式進(jìn)行配料，即每種元素的摩爾比均為16.7±0.1mol%，換算為質(zhì)量比:Au?27.2±0.2wt%，Cu?8.8±0.2wt%，Ni?8.1±0.2wt%，Pt?27.0±0.2wt%，Pd?14.7±0.2wt%，Rh?14.2±0.2wt%，按照這樣的配比(等摩爾比)形成的合金所獲得的混合熵(組態(tài)熵)為最大值，每種元素皆為主元，極大的混合熵促進(jìn)了組元之間的相容，避免了相分離的發(fā)生，使合金形成其特殊的組織結(jié)構(gòu)，達(dá)到形成高熵合金的設(shè)計(jì)目的。
[0027]本發(fā)明的有益效果為:將高熵合金的設(shè)計(jì)思路引入貴金屬多元合金體系中，將高熵合金所具有的各種新穎特性與貴金屬的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，一方面完善了高熵合金的合金體系，另一方面提高貴金屬多元合金的性能，拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域，為從一個(gè)嶄新的角度挖掘貴金屬合金系統(tǒng)中的各類科學(xué)問題和運(yùn)用價(jià)值提供條件。
【附圖說明】
[0028]圖1顯示了本發(fā)明高熵合金實(shí)施例1的XRD掃描結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但不限于實(shí)施例。
[0030]實(shí)施例1采用純度不小于99.95%的々11、？丨、？(1、1^、祖和(:11為原料進(jìn)行備料。按照等摩爾比 16.67mol%，換算為質(zhì)量比:Au?27.2wt %，Cu?8.8wt %，Ni ?8.Iwt %，Pt ?27.0被％，？(1?14.7的％，1^?14.2被％進(jìn)行配料，總量為10(^，使用電弧爐，用氬氣多次洗爐后起弧熔配，翻面次數(shù)不少于10次，充分熔化混合均勻形成高熵合金。
[0031]圖1中顯示了該合金的XRD掃描結(jié)果，其中箭頭和豎線各表示一種立方結(jié)構(gòu)，說明該合金由兩種立方結(jié)構(gòu)的固溶體組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單清晰，符合高熵合金的特征。
[0032]實(shí)施例2按照實(shí)施例1中的配比使用粉末物料進(jìn)行備料，總重50g。使用球磨進(jìn)行混料，混料時(shí)間不少于10小時(shí)，待物料充分混合均勻后填入石墨模具，使用SPS(放電等離子燒結(jié))設(shè)備進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度800-1300 0C，保溫時(shí)間10-30分鐘，形成高熵合金。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種多主元等摩爾比貴金屬高熵合金，其特征在于:這種合金的組成含量為Au、Pt、Pd、Rh、Ni和Cu按照等摩爾比16.7±0.Imol %組成，換算為質(zhì)量比:Au?27.2±0.2wt% ,Cu?8.8±0.2wt%，Ni?8.1±0.2wt%，Pt?27.0±0.2wt%，Pd?14.7±0.2wt%，Rh?14.2± 0.2wt %，形成具有特殊組織結(jié)構(gòu)的高熵合金。2.—種多主元等摩爾比貴金屬高熵合金的制備方法，其特征在于:采用純度不小于.99.95%的六11^?(1、1^、祖和01為原料進(jìn)行備料，按照等摩爾比16.6711101%，換算為質(zhì)量比:Au ?27.2wt%，Cu?8.8wt%，Ni ?8.1wt %，Pt ?27.0wt%，Pd ?14.7wt%，Rh ?.14.2^%進(jìn)行配料，總量為100g，使用電弧爐，用氬氣多次洗爐后起弧熔配，翻面次數(shù)不少于10次，充分熔化混合均勻形成高熵合金。
【文檔編號(hào)】C22C30/02GK105970069SQ201610322122
【公開日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年5月16日
【發(fā)明人】畢珺, 聞明, 沈月, 張昆華, 宋修慶, 黃子涵, 熊慶豐, 管偉明
【申請(qǐng)人】昆明貴金屬研究所