本发明涉及合金的技术领域，特别是涉及多元合金粉末及其快速制备方法。
背景技术：
纯金属是指不含其他杂质或其他金属成分的金属。其具有较高的导电性、导热性和良好的塑性，然而，纯金属的力学性能不高，无法广泛用作为工程结构的金属材料，因此在各行业上应用较少。实际上，工程结构中使用较多的金属材料都是合金，如碳钢、合金钢、铜合金、镍合金、钛合金、钼合金、钨合金和高熵合金等。一直以来，对多元合金的开发和性能研究，都是本领域的热点课题，高熵合金就是近年来比较热门的新材料，其具有高强度、高硬度、良好耐腐蚀、优异的高温组织稳定性、和抗辐照等性能，引起国际材料领域的广泛关注。随着进一步对各类合金的深入研究，以及对材料高性能的迫切需求，在未来的工作中，如何将新设计的合金快速的制备出来，以便对其性质展开研究变得尤为重要。
现有主流制备合金粉末的方法有机械法、雾化法、还原法等。然而，采用机械法制备合金粉末时，破碎后的粉末形状不规则，粉末粒径较大，且易引入破碎介质的杂质；采用还原法制成的合金粉末大多为海绵结构的不规则形状，松装密度低，会导致成型后的零件孔隙率高，强度低；雾化法是将合金熔融雾化成细小液滴，在冷却介质中凝固成合金粉末，制得的合金粉末球形度好，松装密度高，但是由于合金粉末中各金属元素的熔点及比重不同，熔点低或比重大的元素熔化后先流入雾化室，生成粉末，导致合金粉末成分的不均匀，易产生成分偏析。
此外，专利cn102363214a中还提到了一种钨钛粉末混合方法，按照比列将钨粉和钛粉放入混粉机中，加入钛球，在保护气氛下进行球磨，该方法能获得成分均匀，球形度好的粉末，但是该方法操作复杂，效率较低，需要在保护气氛下进行，能源损耗大。
因此，开发一种粉末球形度好，成本低，效率高且能快速响应新成分合金粉末的制备方法成为发展的关键。
技术实现要素：
基于此，本发明提供一种多元合金粉末的快速制备方法，可以得到成分均匀、球形度好、松装密度高的多元合金粉末，其方法效率高，能够实现不同配方合金的快速制备，为研究新型的合金的性能，争取了时间。
本发明解决上述技术问题的具体技术方案为：
一种多元合金粉末的快速制备方法，包括以下步骤：
设计合金成分，参照所述设计，将若干种纯金属混合，或，将若干种纯金属与若干种非金属混合，熔炼，制备合金锭；
将电极和所述合金锭分别与电源的两极电相连，在所述电极和所述合金锭的放电间隙产生电弧等离子体，所述电弧等离子体使所述合金锭和所述电极表面部分熔融，形成熔融区，同时，引起所述电弧等离子体工作形态改变，使所述熔融区产生微小爆炸，粉碎并抛离位于所述熔融区的材料，收集粉末。
在其中一个实施例中，所述纯金属选自w、mo、hf、ta、v、nb、cr、mn、fe、co、ni、ti、al、mg或cu。
在其中一个实施例中，所述非金属选自c、p、s、n、si、h、o或b。
在其中一个实施例中，所述熔炼的方法为：
将若干种纯金属混合，或，将若干种纯金属与若干种非金属混合，在真空环境下进行熔炼，制备成分均匀的合金锭。
在其中一个实施例中，所述合金锭的外形为规则棒状、不规则棒状、规则块状或不规则块状。
在其中一个实施例中，所述电极为单元素电极，所述单元素电极的元素与所述合金锭的主元素相同。
在其中一个实施例中，所述电极为合金电极，所述合金电极的元素与所述合金锭的元素相同。
在其中一个实施例中，引起所述电弧等离子体工作形态改变的方法为：
在所述放电间隙引入流体介质，通过控制所述流体介质的流速，以及所述电极和合金锭的相对转速，引起所述电弧等离子体工作形态的改变。
在其中一个实施例中，所述电极与所述电源的阳极电连接，所述电极设置有中空腔，部分或全部所述流体介质从所述电极的中空腔内引入。
在其中一个实施例中，所述合金锭与所述电源的阳极电连接，所述合金锭设置有中空腔，部分或全部所述流体介质从所述电极的中空腔内引入。
在其中一个实施例中，所述流体介质为水基介质和/或惰性气体。
本发明还提供上述方法制得的多元合金粉末。
与现有方案相比，本发明具有以下有益效果：
本发明以若干种纯金属，或，若干种纯金属和若干种非金属为原料，先将其熔炼成合金锭，然后，利用电弧微爆制粉技术，成功制备了多元合金粉体。所述电弧微爆制粉技术具体为：以电弧等离子体作为高密度的能量热源，作用于合金锭和电极表面，使一部分合金锭和电极表面熔融，形成一个小范围熔坑，即熔融区。同时，引起位于电极和合金锭的放电间隙中的所述电弧等离子体工作形态的改变，在熔融区产生微小的爆炸，将熔融区的材料粉碎并抛离，然后在流体介质中迅速冷凝成球形粉体，在这个过程中，多元合金粉中各金属或非金属组分得以分布均匀，而且，经过粉碎后的多元合金粉粒径较小，形状呈规则的球形，松装密度较高。同时，上述方法生产效果较高，能够快速响应新成分的合金粉末的制备，能够实现不同配方合金的快速制备，为研究新型合金的性能，争取了时间。
附图说明
图1为采用电弧微爆制粉技术制备多元合金粉末的原理图；
图2为实施例1制得的多元合金粉末的示意图；
图3为实施例2制得的多元合金粉末的示意图；
图4为实施例3制得的多元合金粉末的示意图；
图5为实施例4制得的多元合金粉末的示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明公开内容理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
理论上，“纯金属”是指不含其他杂质或其他金属成分的金属，但由于实际冶炼的原因，纯金属的纯度很难达到100％，故本发明所述“纯金属”包括含有少部分杂质的金属。
本发明所述“若干种”是指两种以及两种种以上。
本发明所述的“合金锭的主元素”是指合金锭中含量最高的元素。
一种多元合金粉末的快速制备方法，包括以下步骤：
设计合金成分，参照所述设计，将若干种纯金属混合，或，将若干种纯金属与若干种非金属混合，熔炼，制备合金锭；
将电极和所述合金锭分别与电源的两极电相连，在所述电极和所述合金锭的放电间隙产生电弧等离子体，所述电弧等离子体使所述合金锭和所述电极表面部分熔融，形成熔融区，同时，引起所述电弧等离子体工作形态改变，使所述熔融区产生微小爆炸，粉碎并抛离位于所述熔融区的材料，收集粉末。
具体地，多元合金粉末的元素的种类以及各种元素的含量，可通过混合若干种不同比例的纯金属，或若干种不同比例的纯金属和非金属来设计。可按照实际所需，称取各种不同种类的纯金属或非金属，形成相应的合金锭，进而形成相应的多元合金粉末。理论上，各种配方的多元合金粉末均可参照本发明所述方法制备。
所述纯金属选自w、mo、hf、ta、v、nb、cr、mn、fe、co、ni、ti、al、mg或cu。其中，各类元素均可以适量的比例混合，本发明中不做特别的限定。
所述非金属选自c、p、s、n、si、h、o或b。其中，各类元素均可以适量的比例混合，本发明中不做特别的限定。
在一些优选的实施例中，纯金属选自fe、mo、cr、ni、mn、ti、hf、v、ta，非金属选自c、si、p、s，所得合金锭为不锈钢。
在一个实施例中，合金锭中包含以下质量百分比的元素：
mo：2.0％～3.0％；cr：16.0％～18.0％；ni：10.0％～14.0％；mn：2.0％；c：0.03％；si：1.00％；p：0.045％；s：0.03％；fe：余量。
在一些优选的实施例中，纯金属选自al、co、cr、fe、ni，所得合金锭为alcocrfeni。
在一个实施例中，合金锭中包含以下质量百分比的元素：
al:1％～2％；co：15％～20％；cr：15％～20％；fe：15％～20％；ni：38％～54％。
可以理解地，所述纯金属和非金属可以为多种状态，为了便于熔炼，本发明中纯金属和非金属优选为粉末状。
本发明所述熔炼的方法为：
将若干种纯金属混合，或，将若干种纯金属与若干种非金属混合，在真空环境下进行熔炼，制备成分均匀的合金锭。
可以理解地，所述熔炼在熔炼炉内进行，将温度加热至纯金属或非金属熔化。
可以理解地，本发明制作合金锭时，还可在熔炼后，进行精炼、淬火、热轧等常规操作，本发明在此不做特别的限定。
制备的合金锭的外形可以是规则的，也可以是不规则的。
具体地，所述合金锭的外形为规则棒状、不规则棒状、规则块状或不规则块状。
所述棒状包括但不限于圆棒。
所述块状包括但不限于方块或三角块。
其中，将电极和所述合金锭分别与电源的两极电相连，可以理解为：将所述电极连接到所述电源的阳极，将所述合金锭连接到所述电源的阴极。也可以理解为，将所述电极连接到所述电源的阴极，将所述合金锭连接到所述电源的阳极。
当所述电极连接到电源的阳极时，电源驱动电极旋转。此时，电极设置有中空腔。部分或全部所述流体介质从所述电极的中空腔内引入。即，流体介质可以全部地从电极的中空腔内引入，也可以一部分从电极的中空腔内引入，剩余部分从电极的中空腔外引入，所述从电极的中空腔外引入，包括，顺着电极的外表面流向合金锭，以此引入到电极和合金锭的放电间隙中，还包括通过其他途径引入到电极和合金锭的间隙中。
可以理解地，从中空腔内和中空腔外流入的流体介质可以是相同的流体介质也可以是不同流体介质。
在一个优选的实施例中，所述流体介质为水基介质和/或惰性气体，所述惰性气体包括氮气。
在一个优选的实施例中，所述水基介质为蒸馏水。
可以理解地，设置有中空腔的电极为设置有单管、多管和中空嵌套的电极。
在一些优选的实施例中，电极为设置有单管的电极，其局部结构如图1左侧所示，所述单管电极设置有电极组件110以及位于所述电极组件之间的通道管120。通道管设置有一个进口，以及一个出口，流体介质可以从通道管中的进口进入，从通道管中的出口流出。通道管的出口朝向合金锭，这样可以使流体介质流向合金锭，以此引入到电极和合金锭的放电间隙中。
当所述合金锭连接到电源的阳极时，电源驱动合金锭旋转。此时，合金锭设置有中空腔。可以理解地，所述合金锭的中空腔可以在制备合金锭的过程中形成。部分或全部所述流体介质从所述合金锭的中空腔内引入。即，流体介质可以全部地从合金锭的中空腔内引入，也可以一部分从合金锭的中空腔内引入，剩余部分从合金锭的中空腔外引入，所述从合金锭的中空腔外引入，包括，顺着合金锭的外表面流向电极，以此引入到合金锭和电极的放电间隙中，还包括通过其他途径引入到合金锭和电极的间隙中。
可以理解地，从中空腔内和中空腔外流入的流体介质可以是相同的流体介质也可以是不同流体介质。
在一个优选的实施例中，所述流体介质为水基介质和/或惰性气体，所述惰性气体包括氮气。
在一个优选的实施例中，所述水基介质为蒸馏水。
优选地，本发明所述电极为单元素电极，所述单元素电极的元素与所述合金锭的主元素相同。
优选地，本发明所述电极为合金电极，所述合金电极的元素与所述合金锭的元素相同。
可以理解地，本发明所述电源为脉冲电源，脉冲宽度为2μs-200000μs，脉冲间隔为2μs-200000μs。调整所述电极和合金锭的间隙产生电弧等离子体，优选地，所述放电间隙，即所述电极的放电端与所述合金锭的表面的距离为0.1mm-100mm。该距离可使电弧等离子体能够作用于电极和合金锭，并能保证流体介质通过时，具有很大的压力。所述电弧等离子体的中心温度高达10000k，可熔化绝大多数的合金，合金锭表面在其作用下熔融，形成半径范围在0.5mm-2mm的微小熔坑，即熔融区，此时，电极相对于合金锭作高速旋转的机械运动。
优选地，电源的供电参数还包括：间隙电压为10-160v，放电电流为5a-1000a。
调节电极或合金锭的转速，调整电源的放电电流，可影响多元高熵合金粉末的松装密度和加工效率。
优选地，所述电流的放电电流为500a。
当所述电极与所述电源的阳极连接时，优选地，控制所述电极以3000r/min-8000r/min的速度转动。更优选地，控制所述电极以5000r/min的速度转动。
当所述合金锭与所述电源的阳极连接时，优选地，控制所述电极以3000r/min-8000r/min的速度转动。更优选地，控制所述合金锭以5000r/min的速度转动。
启动电源的同时，于所述电极和合金锭之间引入流体介质。通过控制电极或合金锭的相对转速、控制流体介质的流速，能够改变电弧等离子体的工作状态，在熔融区产生微小爆炸，将熔融区的材料粉碎并抛离，然后在流体介质中迅速冷凝成球形粉体，上述原理如图1右侧所示。
优选地，流体介质初始通入时的流速为0.5l/min-500l/min。
可以理解地，冷凝后形成的球形粉体可采用多级收粉装置进行收集。所述多级收粉装置设置有呈喇叭状的缓冲部以及与所述喇叭状的缓冲不平滑连接的阶梯状收集平台，每一级阶梯，均对应为一个收集平台。冷凝后的球形粉体随着流体介质流出，到达多级收粉装置中，然后，随着流体介质流经每一级阶梯，球形粉体可以沉积在阶梯上，避免出现流体介质直接冲刷到收粉箱中造成球形粉体随着流体介质流失或飞溅现象，保证粉体收集的完整性，实现提高细粉收得率的目的。
可以理解地，还可以对得到的多元合金粉体进行清洗和烘干。
其中，清洗时，清洗剂可选自碳酸清洗剂、醇类清洗剂或醚类清洗剂，清洗掉粉末中的油污。所述碳酸清洗剂、醇类清洗剂或醚类清洗剂熔点低，易挥发，便于后续干燥。将清洗后的粉末置于真空干燥箱或电阻箱内烘干，备用。
本发明以若干种纯金属，或，若干种纯金属和若干种非金属为原料，先将其熔炼成合金锭，然后，利用电弧微爆制粉技术，成功制备了多元合金粉体。所述电弧微爆制粉技术具体为：以电弧等离子体作为高密度的能量热源，作用于合金锭和电极表面，使一部分合金锭和电极表面熔融，形成一个小范围熔坑，即熔融区。同时，引起位于电极和合金锭的放电间隙中的所述电弧等离子体工作形态的改变，在熔融区产生微小的爆炸，将熔融区的材料粉碎并抛离，然后在流体介质中迅速冷凝成球形粉体，在这个过程中，多元合金粉中各金属或非金属组分得以分布均匀，而且，经过粉碎后的多元合金粉粒径较小，形状呈规则的球形，松装密度较高。同时，上述方法生产效果较高，能够快速响应新成分合金粉末的制备，能够实现不同配方合金的快速制备，为研究新型合金的性能，争取了时间。
以下结合具体实施例作进一步说明。
实施例1
本实施例提供一种多元合金粉末的制备方法，包括以下步骤：
按照以下质量百分比称取以下组分：mo：2.5％；cr：17％；ni：12.0％；mn：2.0％；c：0.03％；si：1.00％；p：0.045％；s：0.03％；fe：余量。
将上述各组分粉末混合，放入方形坩埚中，直接入真空熔炼炉中，熔炼温度1500℃，熔炼2小时，升至1600℃，熔炼1小时，随后保温两小时，水冷，得不锈钢合金锭，外形为规则块状。
将上述不锈钢合金锭其清洗去污后，连接电源的阴极。将设置有单管的304不锈钢电极连接电源的阳极。所述单管即指位于电极组件之间的通道管，所述通道管的出口朝向该合金锭。所述304不锈钢电极的放电端与所述合金锭材料之间的距离为0.5mm。
设置供电参数为：间隙电压为45v-55v，放电电流为500a，脉冲宽度2000μs，启动电源，控制所述电极以转速为5000r/min的速度转动。电弧等离子体作用于上述合金锭和电极，使一部分合金锭和电极熔融，同时，从通道管中引入蒸馏水，通入时的流速为30l/min，引起所述电弧等离子体工作形态的改变，使熔融区产生微小爆炸，粉碎并抛离位于所述熔融区的材料，最后在蒸馏水中冷凝成球形粉末。
获得的球形粉末如图2所示，测量所得多元粉末的松装密度为4.25g/cm3。
实施例2
本实施例提供一种多元合金粉末的制备方法，包括以下步骤：
按照以下质量百分比称取以下组分：al:2％；co：18％；cr：18％；fe：18％；ni：44％。
将上述各组分粉末混合放入圆柱形坩埚中，直接入真空熔炼炉中，熔炼温度1600℃，熔炼2小时，升至1700℃，熔炼1小时，随后保温两小时，水冷，得alcocrfeni合金锭，外形为规则棒状。
将上述合金锭其清洗去污后，连接电源的阴极。将设置有单管的镍电极连接电源的阳极。所述单管即指位于电极组件之间的通道管，所述通道管的出口朝向该合金锭。所述镍电极电极的放电端与所述合金锭材料之间的距离为1mm。
设置供电参数为：间隙电压为45v-55v，放电电流为500a，脉冲宽度2000μs，启动电源，控制所述电极以转速为5000r/min的速度转动。电弧等离子体作用于上述合金锭和电极，使一部分合金锭和电极熔融，同时，从通道管中引入蒸馏水，通入时的流速为50l/min，引起所述电弧等离子体工作形态的改变，使熔融区产生微小爆炸，粉碎并抛离位于所述熔融区的材料，最后在蒸馏水中冷凝成球形粉末。
获得的球形粉末如图3所示，测量所得多元粉末的松装密度为4.66g/cm3。
实施例3
本实施例提供一种多元合金粉末的制备方法，与实施例2的制备方法基本相同，区别仅在于电源的放电电流不同。具体包括以下步骤：
按照以下质量百分比称取以下组分：al:2％；co：18％；cr：18％；fe：18％；ni：44％。
将上述各组分粉末混合放入圆柱形坩埚中，直接入真空熔炼炉中，熔炼温度1600℃，熔炼2小时，升至1700℃，熔炼1小时，随后保温两小时，水冷，得alcocrfeni合金锭，外形为规则棒状。
将上述合金锭其清洗去污后，连接电源的阴极。将设置有单管的镍电极连接电源的阳极。所述单管即指位于电极组件之间的通道管，所述通道管的出口朝向该合金锭。所述镍电极电极的放电端与所述合金锭材料之间的距离为1mm。
设置供电参数为：间隙电压为45v-55v，放电电流为300a，脉冲宽度2000μs，启动电源，控制所述电极以转速为5000r/min的速度转动。电弧等离子体作用于上述合金锭和电极，使一部分合金锭和电极熔融，同时，从通道管中引入蒸馏水，通入时的流速为50l/min，引起所述电弧等离子体工作形态的改变，使熔融区产生微小爆炸，粉碎并抛离位于所述熔融区的材料，最后在蒸馏水中冷凝成球形粉末。
获得的球形粉末如图4所示，测量所得多元粉末的松装密度为4.45g/cm3。
实施例4
本实施例提供一种多元合金粉末的制备方法，与实施例2的制备方法基本相同，区别仅在于电极的转速不同。具体包括以下步骤：
按照以下质量百分比称取以下组分：al:2％；co：18％；cr：18％；fe：18％；ni：44％。
将上述各组分粉末混合放入圆柱形坩埚中，直接入真空熔炼炉中，熔炼温度1600℃，熔炼2小时，升至1700℃，熔炼1小时，随后保温两小时，水冷，得alcocrfeni合金锭，外形为规则棒状。
将上述合金锭其清洗去污后，连接电源的阴极。将设置有单管的镍电极连接电源的阳极。所述单管即指位于电极组件之间的通道管，所述通道管的出口朝向该合金锭。所述镍电极电极的放电端与所述合金锭材料之间的距离为1mm。
设置供电参数为：间隙电压为45v-55v，放电电流为500a，脉冲宽度2000μs，启动电源，控制所述电极以转速为3000r/min的速度转动。电弧等离子体作用于上述合金锭和电极，使一部分合金锭和电极熔融，同时，从通道管中引入蒸馏水，通入时的流速为50l/min，引起所述电弧等离子体工作形态的改变，使熔融区产生微小爆炸，粉碎并抛离位于所述熔融区的材料，最后在蒸馏水中冷凝成球形粉末。
获得的球形粉末如图5所示，测量所得多元粉末的松装密度为4.51g/cm3。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
1.一种多元合金粉末的快速制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
设计合金成分，参照所述设计，将若干种纯金属混合，或，将若干种纯金属与若干种非金属混合，熔炼，制备合金锭；
将电极和所述合金锭分别与电源的两极电相连，在所述电极和所述合金锭的放电间隙产生电弧等离子体，所述电弧等离子体使所述合金锭和所述电极表面部分熔融，形成熔融区，同时，引起所述电弧等离子体工作形态改变，使所述熔融区产生微小爆炸，粉碎并抛离位于所述熔融区的材料，收集粉末。
2.根据权利要求1所述的多元合金粉末的快速制备方法，其特征在于，所述纯金属选自w、mo、hf、ta、v、nb、cr、mn、fe、co、ni、ti、al、mg或cu。
3.根据权利要求1所述的多元合金粉末的快速制备方法，其特征在于，所述非金属选自c、p、s、n、si、h、o或b。
4.根据权利要求1所述的多元合金粉末的快速制备方法，其特征在于，所述熔炼的方法为：
将若干种纯金属混合，或，将若干种纯金属与若干种非金属混合，在真空环境下进行熔炼，制备成分均匀的合金锭。
5.根据权利要求1所述的多元合金粉末的快速制备方法，其特征在于，所述合金锭的外形为规则棒状、不规则棒状、规则块状或不规则块状。
6.根据权利要求1所述的多元合金粉末的快速制备方法，其特征在于，所述电极为单元素电极，所述单元素电极的元素与所述合金锭的主元素相同。
7.根据权利要求1所述的多元合金粉末的快速制备方法，其特征在于，所述电极为合金电极，所述合金电极的元素与所述合金锭的元素相同。
8.根据权利要求1-7任一项所述的多元合金粉末的快速制备方法，其特征在于，引起所述电弧等离子体工作形态改变的方法为：
在所述放电间隙引入流体介质，通过控制所述流体介质的流速，以及所述电极和合金锭的相对转速，引起所述电弧等离子体工作形态的改变。
9.根据权利要求8所述的多元合金粉末的快速制备方法，其特征在于，所述电极与所述电源的阳极电连接，所述电极设置有中空腔，部分或全部所述流体介质从所述电极的中空腔内引入；及/或，
所述合金锭与所述电源的阳极电连接，所述合金锭设置有中空腔，部分或全部所述流体介质从所述电极的中空腔内引入；及/或，
所述流体介质为水基介质和/或惰性气体。
10.权利要求1-9任一项所述的快速制备方法制得的多元合金粉末。
技术总结