《Intermetallics》：基于超声雾化技术制备的TiZrTaNbMo高熵合金球形粉末的形貌、微观结构与力学性能研究

引言

超声振动新技术点亮高熵合金粉末的未来——TiZrTa0.7NbMo高熵合金粉末的创新制备之路。

近年来，随着材料科学的飞速发展，高熵合金（High-Entropy Alloys, HEAs）成为了新一轮材料科技的热点。尤其是耐火高熵合金（Refractory HEAs, RHEAs），以其优异的高温性能，展现了在航空航天、燃气轮机、核能等领域的广阔应用前景。

然而，制备高品质的高熵合金粉末，尤其是球形粉末，一直是限制其工业应用的重要瓶颈。传统的粉末制备方法，如气体雾化法、水雾化法，虽然成熟，但在高熔点、复杂成分与高粘度的情况下，很难达到理想的粉末质量。

本文将为您详细解读一项由沈阳工业大学董福宇教授等人提出的创新的粉末制备技术——超声振动辅助熔融雾化技术（Ultrasonic Atomization）在高熵合金粉末制备中的应用，特别是针对TiZrTa0.7NbMo高熵耐火合金的研究成果，为未来高温高强度材料的开发提供新的思路。

正文

背景

传统制粉方法主要包括机械研磨、雾化法（火焰雾化、气雾化）和电解法等。

1. 高熵合金的基本概念

传统合金通常以少量元素作为主要组分，然后加入微量元素调控性能。而高熵合金打破常规，采用多元素组成，通常由五个或以上的元素组成，各元素比例接近，使得其具有极高的混合熵，表现出优异的机械性能、耐腐蚀性和高温性能。

2. 耐火高熵合金（RHEAs）

由于其耐高温、耐氧化、硬度高、韧性好，耐火高熵合金尤其受到热能、航空航天等行业的关注。TiZrTaNbMo等元素的高熵合金具有极高的熔点和优异的高温性能，成为理想的耐火材料。

3. 粉末制备的难题

尽管高熵合金的优点明显，但其粉末制备却充满挑战：

高熔点：耐火元素熔点极高，难以快速熔融及雾化；
成分复杂：多元素体系易发生偏析和元素损失；
传统技术难以满足：气体雾化等传统方法难以获得球形、粒径均匀且无气孔的粉末。

因此，寻找一种新颖、高效、能控制粉末品质的制备技术成为当务之急。

创新突破：超声振动辅助熔融雾化技术

1. 技术原理简介

超声振动辅助熔融雾化，利用超声波产生的机械振动，将熔融金属在振动作用下分裂成细小的液滴，迅速冷却固化成粉末。与传统气体雾化相比，具有以下优势：

粒径可控：通过调节超声频率，精确控制粒径；
粉末质量高：粒子成形更接近球形，表面光滑，缺陷少；
减少偏析：快速固化，有效抑制元素偏析；
排除气孔：液滴冷却迅速，孔洞、杂质少。

2. 方法流程

合金熔炼：采用高纯金属原料，在惰性气氛中用电弧炉熔炼，得到均匀的合金锭；
熔融激振：将液态金属在超声振动作用下，打碎成细液滴；
冷却固化：液滴在空气中或保护气氛中快速冷却成粉末；
粉末收集：利用特殊收集装置，得到大批高质量球形粉末。

这种技术特别适合熔点高、粘度大的高熵合金粉末制备，为行业带来了新的可能。

TiZrTa0.7NbMo高熵耐火合金粉末的制备与表征

01实验材料和制备

研究团队选用了Ti、Zr、Ta、Nb、Mo五种高纯金属，按比例组合配比（Ti:Zr:Ta:Nb:Mo=1:1:0.7:1:1），首先经过高真空炉反复熔炼，制得合金块。然后，利用超声振动辅助熔融雾化技术，将液态合金分裂成粉末。

02粉末的微观结构和形貌特征

通过扫描电子显微镜（SEM）观察，粉末呈现出高度球形，表面光滑，无明显裂纹和杂质，粒径分布狭窄，符合高质量粉末的基本要求。此外，微计算机断层扫描（Micro-CT）分析显示粉末内部孔隙率低，孔隙主要是微孔，且分布均匀。

03粉末微观结构分析

X射线衍射（XRD）分析表明，粉末主要由两种体心立方（BCC）相组成（BCC1和BCC2），且没有观察到明显的间隙相或相变。这意味着，超声振动雾化技术能有效抑制偏析，保持元素的均匀分布。

04高温和硬度性能

利用纳米硬度测试，结果显示粉末硬度较传统铸态样品明显提高（平均约6 GPa），表明其具有极高的局部强度。此优势源于快速固化带来的细微晶粒及微合金化。

超声振动辅助雾化技术优势

1.高品质粉末的实现

传统雾化技术难以获得纯净、球形、粒径均匀的高熔点高熵合金粉末。而超声振动辅助雾化能有效解决这一难题，制备出表面光洁、无污染、粒径可控的粉末。

2.提升材料性能

优质的粉末为激光粉末床熔化（LPBF）等增材制造工艺提供了坚实的基础。经过超声技术制备的粉末显著改善了成形质量，提高了机械强度、耐高温性能。

3.降低制备成本与能耗

相较于传统气体雾化，超声振动雾化技术能在较低能耗条件制备大批量高质量粉末，为工业化提供可能。

图文导读

图1.超声雾化制备RHEA粉末示意图。

图2.TiZrTa0.7NbMo RHEA粉末的SEM图像：（a-c）筛选后粒径范围分别为15 ~ 50 μm、50 ~ 100 μm和100 ~ 150 μm的粉末形貌；（d-f）对应于（a-c）的粒度分布。

图3.TiZrTa0.7NbMo RHEA粉末显微ct分析：（a-c）不同粒径范围粉末的三维重建结果；（d-f）（a-c）中提取孔的三维显示；（g-h）（a-c）中的粉末粒度分布和球形度；（j - 1）（d-f）中孔隙的等效球径分布。

图4.超声波雾化机理示意图。

图5.TiZrTa0.7NbMo RHEA粉末的XRD谱图。

图6.单个粉末颗粒截面的微观结构和元素分布：(a) BSE图像和EDS制图结果；(b) (a)中红框区域的微观结构和EDS制图结果。

图7. 粉末截面EBSD图像：(a) BC图；(b)IPF图。

图8.超声对液滴凝固组织影响的机理示意图。

图9.0.65 mN/s加载速率和10 mN载荷下粉末截面的纳米压痕：(a)载荷-深度曲线；(b)纳米硬度和弹性模量。

结语

高熵合金作为未来材料的明星成员，其应用前景令人振奋。而制备高质量粉末则是推开这扇大门的关键一步。超声振动辅助熔融雾化技术，以其独特优势，为高熵合金粉末的高品质制备提供了有力保障。这项技术的成功应用，不仅突破了传统工艺的局限，更为高温高强性能材料的工业化生产开启了新纪元。未来，随着工艺不断优化和设备逐渐规模化，超声振动技术有望在更多高端材料制造中发挥重要作用，引领材料科技的新潮流。