高熵合金(high-entropy alloys, HEAs)又称多主元合金,打破了传统合金以一种或两种元素为主元的设计思路,以5种及5种以上的元素为主元,为开发新型合金体系提供了新思路。研究发现,高熵合金具有热力学上高的混合熵效应、动力学上缓慢的扩散效应、结构上严重的晶格畸变效应以及性能上的“鸡尾酒效应”等特征。通过合理的成分选择及制备加工工艺,高熵合金可以形成简单的组织结构,呈现优异的性能,如高硬度、高强度、高的抗高温软化性、良好的耐磨性、耐腐蚀性等,使得高熵合金具有广阔的应用前景,得到国内外学者的广泛关注与研究。作为新型高温结构材料、耐磨性材料、抗辐照材料高熵合金已应用于航空航天、矿山机械、核聚变反应堆等领域,它们被用作生产高温涡轮叶片、高温模具、切削工具上的硬涂层甚至第四代核反应堆部件的替代材料。
高熵合金是由五种或五种以上等量或大约等量金属形成的合金,每种金属元素都有举足轻重的作用,元素组分不同、含量的高低等直接影响到高熵合金的性能,可以根据不同的需求,设计生产不同性能的高熵合金,因此对于高熵合金的化学成分及含量要求非常严格。高熵合金粉,是采用真空气雾化制粉技术来制备的,气雾化是通过高速气流将液态金属流粉碎为小液滴并快速冷凝成粉末的过程,其核心是将高速气流的动能最大限度地转化为新生粉末表面能,而真空气雾化能够在雾化前的熔炼过程中,为金属液体提供惰性气体保护,减少与氧气的反应,大幅降低产品中的氧含量。
随着行业发展与技术成熟,高熵合金在增材制造技术方面的应用逐步增多,其性能特点可以通过增材制造工艺充分发挥,成为核工业、航空航天、军工产品等高端行业关键零部件的关键材料。2020年国标委、工信部等六部门联合印发了《增材制造标准领航行动计划2020-2022》,明确提出要“及时形成一批新技术、新材料、新工艺、新产品标准,优化标准布局,充分发挥标准对增材制造产业发展的引领作用。”
目前国内外使用较多研究较为成熟的主流高熵合金粉主要是由Fe、Co、Ni、Cr、Mn、Ti、Al、Mo等元素形成的不同组元的合金。合金牌号和元素成分如下:
牌号名称 | 主要元素/% |
Fe | Co | Ni | Cr | Mn | Ti | Al | Mo |
FeCoNiCrMn | 余量 | 19.97~22.07 | 19.88~21.98 | 17.62~19.47 | 18.61~20.57 | — | — | — |
FeCoNiCrAl | 余量 | 22.18~24.51 | 22.09~24.41 | 19.57~21.63 | — | — | 10.15~11.22 | — |
FeCoNiCrTi | 余量 | 20.48~22.64 | 20.40~22.55 | 18.07~19.98 | — | 16.64~18.39 | — | — |
FeCoNiCrMo | 余量 | 17.42~19.25 | 17.34~19.17 | 15.37~16.99 | — | — | — | 28.36~31.35 |
FeCoNiCr | 余量 | 24.83~27.44 | 24.73~27.33 | 21.91~24.22 | — | — | — | — |
牌号名称 | 杂质,不大于/% |
C | P | S | O | N | 其它单个 | 其它总和 |
FeCoNiCrMn | 0.020 | 0.015 | 0.010 | 0.050 | 0.050 | 0.050 | 0.150 |
FeCoNiCrAl | 0.020 | 0.015 | 0.010 | 0.050 | 0.050 | 0.050 | 0.150 |
FeCoNiCrTi | 0.020 | 0.015 | 0.010 | 0.050 | 0.050 | 0.050 | 0.150 |
FeCoNiCrMo | 0.020 | 0.015 | 0.010 | 0.050 | 0.050 | 0.050 | 0.150 |
FeCoNiCr | 0.020 | 0.015 | 0.010 | 0.050 | 0.050 | 0.050 | 0.150 |
氧和氮做为杂质元素,也会影响高熵合金粉的性能,少量氧和氮元素的加入可以提升合金的硬度,过量的氧和氮会导致合金变脆,降低合金的耐磨性。因此要严格控制合金中氧和氮的含量。
然而对于该系列高熵合金粉末,目前尚无合适的检测方法,国内外也没有任何已发布的相关分析方法标准。现行的标准中,氧和氮含量的测定取制样为固体块状样品,而高熵合金粉样品与块状样品形貌不同,粉末样品必须加以包裹才能进样,而且高熵合金粉熔点高,氧和氮含量测定过程中还需加入合适的助熔剂才能完全释放,现行的测氧和氮的标准不能满足高熵合金粉中氧和氮的测定需要。因此,高熵合金粉化学分析方法氧和氮的测定标准的制定势在必行。
本标准将采用惰性气体熔融红外吸收-热导法对氧和氮连续测定。在惰性气体保护下,试料与助熔剂在石墨坩埚中加热熔融,其中氧与石墨坩埚中碳结合形成CO和少量CO2,氮以N2形式释放。混合气体进入红外检测器,CO直接被检测或转化为CO2后检测,CO2直接检测,计算系统通过与标准样品比对计算氧含量。气路中CO、CO2均以CO2形式被吸收分离,剩余氮气进入热导检测器,计算系统通过与标准样品比对计算氮含量。本方法快速、简便、准确度高、稳定性好,适用性广。