专利摘要

一种高熵金属间化合物，本发明涉及一种新型金属材料制备领域，具体涉及一种高熵金属间化合物。本发明的目的是得到一种既有金属间化合物高度有序的晶体结构又有高熵合金多主元的特点的新型金属材料。一种高熵金属间化合物为二元金属间化合物或三元金属间化合物；所述二元金属间化合物的化学式类型为MN、MN2、M3N、M5N3或M6N7；所述三元金属间化合物的化学式类型为ABC、ABC2、ABC3、AB2C3、AB2C2、ABC4、AB2C4。本发明的高熵金属间化合物用于航空、航天、军事、民用等领域。

权利要求

1.一种高熵金属间化合物，其特征在于高熵金属间化合物为二元金属间化合物或三元金属间化合物；所述二元金属间化合物的化学式类型为MN、MN₂、M₃N、M₅N₃或M₆N₇；所述三元金属间化合物的化学式类型为ABC、ABC₂、ABC₃、AB₂C₃、AB₂C₂、ABC₄、AB₂C₄；由代表1～8种元素的M和代表1～8种元素的N组成含有5～16种元素的二元金属间化合物；由代表1～8种元素的A、代表1～8种元素的B和代表1～8种元素的C组成含有5～24种元素的三元金属间化合物；所述A、B、C、M和N是从Ti元素、Ni元素、Co元素、Nb元素、Ta元素、W元素、Zr元素、Mo元素、Cr元素、Mn元素、Fe元素、Al元素、V元素、Sc元素、Hf元素、Ru元素、Ga元素、Ge元素、Cu元素、Sn元素、Li元素、Pd元素、Pt元素、Ir元素、Si元素、C元素、B元素以及稀土元素中进行选择；所述二元金属间化合物中各元素的原子百分数为1.5％～77％；所述三元金属间化合物中各元素的原子百分数为1.5％～77％；所述M和N不为同一种元素，所述A、B和C不为同一种元素；所述高熵金属间化合物中含有体积分数为0.00001％～20％的固溶体、非金属化合物或其他晶体结构的金属间化合物。

2.根据权利要求1所述的一种高熵金属间化合物，其特征在于所述二元金属间化合物中元素的选择原则为M代表的1～8种元素中的任意一种分别与N代表的1～8种元素中一种元素反应形成的化合物中至少存在三种金属间化合物，且该反应形成的金属间化合物的化学式类型及晶体结构均相同，则以上的金属间化合物中的元素为所述二元金属间化合物的元素选择。

3.根据权利要求1所述的一种高熵金属间化合物，其特征在于当M由两种或两种以上元素组成时，则所述二元金属间化合物中由M提供的各个元素之间摩尔比相同；当N由两种或两种以上元素组成时，则所述二元金属间化合物中由N提供的各个元素之间摩尔比相同。

4.根据权利要求1所述的一种高熵金属间化合物，其特征在于所述三元金属间化合物中元素的选择原则为所选元素中代表1～8种元素的A中任意一种、代表1～8种元素的B中任意一种和代表1～8种元素的C中的任意一种反应形成的化合物中至少存在两种金属间化合物，且该反应形成的金属间化合物的化学式类型及晶体结构均相同，则改金属间化合物中的元素为所述三元金属间化合物的元素选择。

5.根据权利要求1所述的一种高熵金属间化合物，其特征在于当A由两种或两种以上元素组成时，则所述三元金属间化合物中由A提供的各个元素之间摩尔比相同，当B由两种或两种以上元素组成时，则所述三元金属间化合物中由B提供的各个元素之间摩尔比相同，当C由两种或两种以上元素组成时，则所述三元金属间化合物中由C提供的各个元素之间摩尔比相同。

6.根据权利要求1所述的一种高熵金属间化合物，其特征在于所述高熵金属间化合物是通过熔铸法、快速凝固法或快速凝固法结合粉末冶金法制备得到的。

7.根据权利要求1所述的一种高熵金属间化合物，其特征在于所述熔铸法是将各元素按照摩尔比进行称量并混合均匀，然后采用电弧炉或者感应熔炼炉进行熔炼，将合金浇注到铸型中，得到高熵金属间化合物铸锭或铸件。

8.根据权利要求1所述的一种高熵金属间化合物，其特征在于所述快速凝固法是通过模冷技术、雾化技术、表面熔化与沉积技术制备出粉末、薄片或条带状的高熵金属间化合物。

9.根据权利要求1所述的一种高熵金属间化合物，其特征在于所述快速凝固法结合粉末冶金法是将快速凝固法得到的粉末、薄片或条带状的高熵金属间化合物在高温或高温高压条件下进行烧结或利用金属3D打印机进行打印，得到高熵金属间化合物块体材料或构件。

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型金属材料制备领域，具体涉及一种高熵金属间化合物。

背景技术

目前，金属材料领域分类主要包括纯金属、传统合金、非晶合金、高熵合金、金属间化合物、金属基复合材料等。

高熵合金是一种与其他类型合金不同的多主元无序固溶体合金。所谓多主元固溶体合金，就是一种具有五种以上金属元素作为主要元素的合金，每种主要金属元素的摩尔数与该合金的总摩尔数之比介于5at.％～30at.％之间，无法区分溶质和溶剂组元，形成简单的BCC、FCC、BCC+FCC固溶体相，抑制金属间化合物的形成。由于没有一种元素的含量超过30at.％而作为主要元素，高熵合金特性由各主元集体领导，从而造成合金混合熵显著增高，产生高熵效应、迟滞扩散效应、晶格畸变效应和鸡尾酒效应，导致材料具有优良的综合性能。而金属间化合物是一类与高熵合金完全不同类型的有序金属材料。与其他类型金属材料不同的是，这类材料是金属与金属或者金属与类金属(如硅、砷、碲)构成的化合物，具有不同于其组成元素的长程有序晶体结构和金属基本特性。其主要元素原子间主要是以共价键结合的，是一种化合物，主要元素原子排列高度有序。由于共价键的存在，使金属间化合物具有高强度、高硬度、高熔点、高的抗蠕变性能、低塑性以及特殊电学、磁学、声学性质等独特的材料。无论是高熵合金还是金属间化合物，都是目前国内外重点发展的新型金属材料。

因此，高熵合金是一种多主元固溶体，需要抑制金属间化合物形成，而金属间化合物这种材料是主要由金属间化合物构成，一般要抑制固溶体形成。目前，高熵合金以接近等摩尔比的方法加入元素，而金属间化合物是在形成化合物的主要元素基础上，添加少量合金化元素(与传统金属材料类似)。

发明内容

本发明的目的是得到一种既有金属间化合物高度有序的晶体结构又有高熵合金多主元的特点的新型金属材料，而提供一种高熵金属间化合物。

一种高熵金属间化合物为二元金属间化合物或三元金属间化合物；所述二元金属间化合物的化学式类型为MN、MN₂、M₃N、M₅N₃或M₆N₇；所述三元金属间化合物的化学式类型为ABC、ABC₂、ABC₃、AB₂C₃、AB₂C₂、ABC₄、AB₂C₄；由代表1～8种元素的M和代表1～8种元素的N组成含有5～16种元素的二元金属间化合物；由代表1～8种元素的A、 代表1～8种元素的B和代表1～8种元素的C组成含有5～24种元素的三元金属间化合物；所述A、B、C、M和N是从Ti元素、Ni元素、Co元素、Nb元素、Ta元素、W元素、Zr元素、Mo元素、Cr元素、Mn元素、Fe元素、Al元素、V元素、Sc元素、Hf元素、Ru元素、Ga元素、Ge元素、Cu元素、Sn元素、Li元素、Pd元素、Pt元素、Ir元素、Si元素、C元素、B元素以及稀土元素中进行选择；所述二元金属间化合物中各元素的原子百分数为1.5％～77％；所述三元金属间化合物中各元素的原子百分数为1.5％～77％；所述M和N不为同一种元素，所述A、B和C不为同一种元素；所述高熵金属间化合物中含有体积分数为0.00001％～20％的固溶体、非金属化合物或其他晶体结构的金属间化合物。

本发明的有益效果是：

本发明所得到的高熵金属间化合物，结合了金属间化合物和高熵合金的特点，在金属间化合物的基础上，添加接近等摩尔比的构成金属间化合物的元素，主要元素为五种或五种以上，从而形成一类既有金属间化合物高度有序的晶体结构又有高熵合金多主元的特点的新型金属材料，这在国内外文献资料上还没有相同的报道，目前已知的金属材料也均不具备上述合金设计的特点，因此本发明提出的高熵金属间化合物具有明显的新颖性。本发明所得到的高熵金属间化合物由于仍为金属间化合物，不同种类的原子间具有强键合，晶体结构更加稳定，使其原子及位错在高温下可动性降低，与高熵合金及传统金属材料相比，具有更优异的硬度、强度与热稳定性，耐高温性能更好，更加适于用作高温结构材料；与传统金属间化合物相比，由于其多主元带来的高熵效应，使部分高熵金属间化合物具有良好的室温塑性。例如，与高熵合金及传统金属材料相比，高熵金属间化合物的使用温度可以提高200～400℃；与M₃N型金属间化合物较低的室温塑性(低于5％)相比，部分M₃N型高熵金属间化合物的室温塑性可提高到30％以上，强度也可提高一倍以上。高熵金属间化合物的上述特点，使其在航空、航天、军事、民用等领域均有广阔的应用前景，具有重要商业价值。

附图说明

图1为实施例一得到的二元高熵金属间化合物的X射线衍射图；

图2为实施例二得到的二元高熵金属间化合物的X射线衍射图；

图3为实施例三得到的三元高熵金属间化合物的X射线衍射图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式一种高熵金属间化合物为二元金属间化合物或三元金属间化合物；所述二元金属间化合物的化学式类型为MN、MN₂、M₃N、M₅N₃或M₆N₇；所述 三元金属间化合物的化学式类型为ABC、ABC₂、ABC₃、AB₂C₃、AB₂C₂、ABC₄、AB₂C₄；由代表1～8种元素的M和代表1～8种元素的N组成含有5～16种元素的二元金属间化合物；由代表1～8种元素的A、代表1～8种元素的B和代表1～8种元素的C组成含有5～24种元素的三元金属间化合物；所述A、B、C、M和N是从Ti元素、Ni元素、Co元素、Nb元素、Ta元素、W元素、Zr元素、Mo元素、Cr元素、Mn元素、Fe元素、Al元素、V元素、Sc元素、Hf元素、Ru元素、Ga元素、Ge元素、Cu元素、Sn元素、Li元素、Pd元素、Pt元素、Ir元素、Si元素、C元素、B元素以及稀土元素中进行选择；所述二元金属间化合物中各元素的原子百分数为1.5％～77％；所述三元金属间化合物中各元素的原子百分数为1.5％～77％；所述M和N不为同一种元素，所述A、B和C不为同一种元素；所述高熵金属间化合物中含有体积分数为0.00001％～20％的固溶体、非金属化合物或其他晶体结构的金属间化合物。

本实施方式所述固溶体或非金属化合物是指其它晶体结构的金属间化合物与最终形成的高熵金属间化合物晶体结构不同的其它晶态物质；各种元素放在一起熔炼并凝固，可能会产生少量第二相，这个第二相可能是固溶体也可能其它非化合物的物质。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述二元金属间化合物中元素的选择原则为M代表的1～8种元素中的任意一种分别与N代表的1～8种元素中一种元素反应形成的化合物中至少存在三种金属间化合物，且该反应形成的金属间化合物的化学式类型及晶体结构均相同，则以上的金属间化合物中的元素为所述二元金属间化合物的元素选择。其他与具体实施方式一相同。

本实施方式所述晶体结构相同是指：金属晶体以其内部原子在空间作三维周期性的规则排列为其最基本的结构特征要相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：当M由两种或两种以上元素组成时，则所述二元金属间化合物中由M提供的各个元素之间摩尔比相同；当N由两种或两种以上元素组成时，则所述二元金属间化合物中由N提供的各个元素之间摩尔比相同。其他与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述三元金属间化合物中元素的选择原则为所选元素中代表1～8种元素的A中任意一种、代表1～8种元素的B中任意一种和代表1～8种元素的C中的任意一种反应形成的化合物中至少存在两种金属间化合物，且该反应形成的金属间化合物的化学式类型及晶体结构均相同，则改金属间化合物中的元素为所述三元金属间化合物的元素选择。其他与具体实施方式一至三之一相 同。

本实施方式所述晶体结构相同是指：金属晶体以其内部原子在空间作三维周期性的规则排列为其最基本的结构特征要相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：当A由两种或两种以上元素组成时，则所述三元金属间化合物中由A提供的各个元素之间摩尔比相同，当B由两种或两种以上元素组成时，则所述三元金属间化合物中由B提供的各个元素之间摩尔比相同，当C由两种或两种以上元素组成时，则所述三元金属间化合物中由C提供的各个元素之间摩尔比相同。其他与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述高熵金属间化合物是通过熔铸法、快速凝固法或快速凝固法结合粉末冶金法制备得到的。其他与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述熔铸法是将各元素按照摩尔比进行称量并混合均匀，然后采用电弧炉或者感应熔炼炉进行熔炼，将合金浇注到铸型中，得到高熵金属间化合物铸锭或铸件。其他与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述快速凝固法是通过模冷技术、雾化技术、表面熔化与沉积技术制备出粉末、薄片或条带状的高熵金属间化合物。其他与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：所述快速凝固法结合粉末冶金法是将快速凝固法得到的粉末、薄片或条带状的高熵金属间化合物在高温或高温高压条件下进行烧结或利用金属3D打印机进行打印，得到高熵金属间化合物块体材料或构件。其他与具体实施方式一至八之一相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：一种高熵金属间化合物为二元高熵金属间化合物，化学式类型为M₃N，其中M为Ni元素和Co元素，N为Al元素、Si元素和Ti元素；M与N反应能够形成Ni₃Al、Co₃Ti、Ni₃Si和Co₃Al四种金属间化合物，晶体结构均为L1₂，所述二元金属间化合物中由M提供的各个元素之间摩尔比相同，所述二元金属间化合物中由N提供的各个元素之间摩尔比相同，所述二元高熵金属间化合物中Ni元素、Co元素、Al元素、Si元素和Ti元素的摩尔分数依次为37.55％、37.55％、8.3％、8.3％、8.3％。

制备方法：按照上述摩尔分数比例进行配料，Ni元素、Co元素、Al元素、Si元素和Ti 元素的原料均为单质(纯度>99.5wt.％)，然后将配料放入真空电弧炉中，真空电弧炉经过抽真空并用高纯氩气冲洗，在氩气保护条件下对原料进行熔炼，反复熔炼5次，每完成一次熔炼需要将铸锭翻转180°之后再进行熔炼；将经最后一次熔炼并凝固得到的铸锭冷却后从真空电弧炉中取出，获得的材料即为二元M₃N型高熵金属间化合物。

此二元M₃N型高熵金属间化合物也可以采用快速凝固技术(如：模冷技术、雾化技术、表面熔化与沉积技术)制备，制备出粉末、薄片或条带状的二元M₃N型高熵金属间化合物。二元M₃N型高熵金属间化合物还可以采用粉末冶金技术制备：采用快速凝固技术或机械合金化技术制备出粉末、薄片或条带状的二元M₃N型高熵金属间化合物，粉末、薄片或条带状的二元M₃N型高熵金属间化合物在高温或高温高压条件下进行烧结或利用金属3D打印机进行打印，得到二元M₃N型高熵金属间化合物块体材料或构件。

图1为实施例一得到的二元高熵金属间化合物的X射线衍射图，由图中可以看出最终得到的二元M₃N型高熵金属间化合物晶体结构仍主要为L1₂，固溶体或非金属化合物或其它晶体结构的金属间化合物的体积分数仅为5％～10％；实施例一得到的二元高熵金属间化合物与Ni₃Al、Co₃Ti、Ni₃Si、Co₃Al四种金属间化合物相比，此二元M₃N型高熵金属间化合物展现出优异的力学性能，其室温屈服强度及塑性均可以提高一倍以上。

实施例二：一种高熵金属间化合物为二元高熵金属间化合物，化学式类型为MN，其中M为Co元素、Fe元素、Ni元素和Ti元素，N为Al元素；M与N反应能够形成CoAl、FeAl、NiAl和FeTi四种金属间化合物，晶体结构均为B2，所述二元金属间化合物中由M提供的各个元素之间摩尔比相同，所述二元高熵金属间化合物中Co元素、Fe元素、Ni元素、Ti元素和Al元素的摩尔分数依次为12.5％、12.5％、12.5％、12.5％、50.0％。

制备方法：按照上述摩尔分数比例进行配料，Co元素、Fe元素、Ni元素、Ti元素和Al元素原料均为单质(纯度>99.5wt.％)，然后将配料放入真空电弧炉中，真空电弧炉经过抽真空并用高纯氩气冲洗，在氩气保护条件下对原料进行熔炼，反复熔炼5次，每完成一次熔炼需要将铸锭翻转180°之后再进行熔炼；将经最后一次熔炼并凝固得到的铸锭冷却后从真空电弧炉中取出，获得的材料即为二元MN型高熵金属间化合物。

此二元MN型高熵金属间化合物也可以采用快速凝固技术(如：模冷技术、雾化技术、表面熔化与沉积技术)制备，制备出粉末、薄片或条带状的二元MN型高熵金属间化合物。二元MN型高熵金属间化合物还可以采用粉末冶金技术制备：采用快速凝固技术或机械合金化技术制备出粉末、薄片或条带状的二元MN型高熵金属间化合物，粉末、薄片或条带状的二元MN型高熵金属间化合物在高温或高温高压条件下进行烧结或利用金属3D打印机进行 打印，得到二元MN型高熵金属间化合物块体材料或构件。

最终得到的二元MN型高熵金属间化合物晶体结构仍主要为B2，固溶体或非金属化合物或其它晶体结构的金属间化合物的体积分数仅为8％～15％，图2为实施例二得到的二元高熵金属间化合物的X射线衍射图，由图可以看出最终得到的二元MN型高熵金属间化合物晶体结构仍主要为B2，固溶体或非金属化合物或其它晶体结构的金属间化合物的体积分数仅为8％～15％；实施例二得到的二元高熵金属间化合物与CoAl、FeAl、NiAl和FeTi四种金属间化合物相比，此二元MN型高熵金属间化合物展现出优异的力学性能，其室温硬度可以提高一倍以上。

实施例三：一种高熵金属间化合物为三元高熵金属间化合物，化学式类型为A₂BC，其中A为Ti元素，B为Al元素，C为Nb元素、Mo元素和Zr元素；A、B和C反应能够形成Ti₂AlNb、Ti₂AlMo两种金属间化合物，晶体结构均为B2，所述三元金属间化合物中由C提供的各个元素之间摩尔比相同，所述三元高熵金属间化合物中Ti元素、Al元素、Nb元素、Mo元素和Zr元素的摩尔分数依次为50％、24.8％、8.4％、8.4％、8.4％。

制备方法：按照上述摩尔分数比例进行配料，Ti元素、Al元素、Nb元素、Mo元素和Zr元素原料均为单质(纯度>99.5wt.％)，然后将配料放入真空电弧炉中，真空电弧炉经过抽真空并用高纯氩气冲洗，在氩气保护条件下对原料进行熔炼，反复熔炼5次，每完成一次熔炼需要将铸锭翻转180°之后再进行熔炼；将经最后一次熔炼并凝固得到的铸锭冷却后从真空电弧炉中取出，获得的材料即为三元A₂BC型高熵金属间化合物。

此三元A₂BC型高熵金属间化合物也可以采用快速凝固技术(如：模冷技术、雾化技术、表面熔化与沉积技术)制备，制备出粉末、薄片或条带状的三元A₂BC型高熵金属间化合物。三元A₂BC型高熵金属间化合物还可以采用粉末冶金技术制备：采用快速凝固技术或机械合金化技术制备出粉末、薄片或条带状的三元A₂BC型高熵金属间化合物，粉末、薄片或条带状的三元A₂BC型高熵金属间化合物在高温或高温高压条件下进行烧结或利用金属3D打印机进行打印，得到三元A₂BC型高熵金属间化合物块体材料或构件。

最终得到的三元A₂BC型高熵金属间化合物晶体结构仍主要为B2，固溶体或非金属化合物或其它晶体结构的金属间化合物的体积分数仅为4％～8％，图3为实施例三得到的三元高熵金属间化合物的X射线衍射图，由图可以看出最终得到的三元A₂BC型高熵金属间化合物晶体结构仍主要为B2，固溶体或非金属化合物或其它晶体结构的金属间化合物的体积分数仅为4％～8％；实施例三得到的三元高熵金属间化合物与Ti₂AlNb、Ti₂AlMo两种金属间化合物相比，此三元A₂BC型高熵金属间化合物展现出优异的力学性能，其室温屈服强度及硬度均 可以提高30％以上。

除上述具体实施例以外，凡是根据本发明的设计方法所获得的不同成分的高熵金属间化合物，以及在本发明基础上的改进或变化，均包含在本发明专利的范围内。

一种高熵金属间化合物专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。