本文由王繁强、施麒、刘辛、刘斌斌、谭冲、谢焕文、申正焱和曾美琴等作者共同完成，发表于2024年12月的《稀有金属材料与工程》（Rare Metal Materials and Engineering）期刊第53卷第12期。该研究由新金属材料国家重点实验室开放基金、广东省国际科技合作项目及广东省科学院打造综合产业技术创新中心行动资金项目资助。研究团队主要来自华南理工大学广东省先进储能材料重点实验室、广东省科学院新材料研究所国家钛及稀有金属粉末冶金工程技术研究中心以及北京科技大学新金属材料国家重点实验室。
高熵合金（High-Entropy Alloys, HEAs）是由五种或五种以上主要元素以等摩尔比或近等摩尔比组成的合金体系，具有高熵效应、迟滞扩散效应、晶格畸变效应和“鸡尾酒”效应等独特性质，表现出优异的力学性能、耐腐蚀性能和热稳定性。难熔高熵合金（Refractory High-Entropy Alloys, RHEAs）是基于高熵合金设计理念，通过等摩尔比或近等摩尔比混合高熔点元素而得到的合金体系。RHEAs具有更高的高温强度、高温抗氧化性能及高温相稳定性，广泛应用于航空航天、能源、核工业等高温高压领域。
目前，RHEAs的制备技术主要包括熔铸法、粉末冶金法和增材制造等工艺。然而，前两类工艺通常无法直接成形复杂结构的零部件，而增材制造技术通过逐层添加材料，可以实现个性化设计和复杂结构成形，有望成为RHEAs成形的前沿技术之一。然而，商用增材制造用RHEAs球形粉末的制备周期长、成本高，因此有必要探索新的制备路径。
本研究以WMoTaNbV合金体系为研究对象，提出机械合金化与射频等离子体球化相结合的技术路线，旨在制备低杂质含量的球形WMoTaNbV难熔高熵合金粉末，为增材制造提供高质量的原料。
研究采用机械合金化和射频等离子体球化相结合的方法制备WMoTaNbV难熔高熵合金球形粉末。具体流程如下：
机械合金化：以不规则单质粉末（W、Mo、Ta、Nb、V）为原料，按等原子比称量后置于球磨罐内进行球磨。球磨机采用华南理工大学朱敏教授团队研发的设备，球磨参数为：球磨转速960 r/min，球料比50:1，球磨时间分别为2、3、6、10和14小时。球磨气氛为高纯氩气（99.99%）。
射频等离子体球化：将球磨后的粉末送入射频等离子体球化制粉系统（Teksphero-40）。球化过程中，粉末经过高温等离子体炬时发生熔融，在表面张力作用下缩聚成球，并快速冷凝形成球形颗粒。球化工艺参数包括等离子体功率40 kW、送粉速率20 g/min、反应器压力102.7 kPa等。
粉末性能分析：采用X射线衍射仪（XRD）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、碳硫仪、氧氮氢仪和激光粒度分析仪等设备对粉末的物相、形貌、粒度和杂质含量进行分析表征。
机械合金化粉末分析：随着球磨时间的延长，低熔点元素逐渐向高熔点元素固溶。当球磨时间为14小时时，形成了单一BCC相结构的难熔高熵合金粉末。球磨过程中，粉末的粒径逐渐细化，但杂质含量（氧、碳）随球磨时间延长而增加。球磨2小时的粉末氧碳含量最低，因此选择该粉末进行后续射频等离子体球化。
射频等离子体球化分析：球化后的粉末中位粒径（D50）为55.9 μm，氧含量为0.054%，碳含量为0.021%。粉末流动性显著提高至8.4 s·(50 g)−1，振实密度达到8.80 g·cm-3。球化后的粉末球形度高、表面光滑、无卫星粉，具有良好的流动性和高振实密度，适合用于3D打印领域。
通过机械合金化成功制备出具有单一BCC相结构的WMoTaNbV高熵合金粉末。球磨初期，粉末首先发生扁平化，各元素原子开始扩散，随球磨时间增加，粉末不断发生冷焊破碎，并在14小时下得到完全BCC相的固溶体。
通过射频等离子体球化处理可制备出球形WMoTaNbV难熔高熵合金粉末。球化后的粉末球形度高、表面光滑、无卫星粉，具有良好的流动性、高振实密度和低氧含量，适合用于3D打印领域。
本研究提出了一种新的机械合金化与射频等离子体球化相结合的制备方法，成功制备出低杂质含量的WMoTaNbV难熔高熵合金球形粉末。该方法不仅缩短了制备周期，降低了成本，还为增材制造提供了高质量的原料，具有重要的科学价值和实际应用前景。