高熵合金粉末在激光熔覆中的應(yīng)用
【專利說明】
[0001] 本發(fā)明申請是母案申請"高熵合金粉末及熔覆層制備方法和應(yīng)用"的分案申請，母 案申請的申請?zhí)枮?01310471107X，母案申請的申請日為2013年10月10日。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明屬于涂層技術(shù)領(lǐng)域，更加具體地說，涉及一種高熵合金粉末材料及熔覆層 制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0003] 高熵合金是上世紀(jì)九十年代中期由我國臺灣學(xué)者葉均蔚教授首先提出的一種新 型合金，基于等摩爾比、高混合熵的理念設(shè)計(jì)的高熵合金具有顯微結(jié)構(gòu)簡單化、納米析出 物、非晶結(jié)構(gòu)、納米晶粒等組織特征。多主元高熵合金，突破傳統(tǒng)的單元素為主，多主元高熵 合金凝固后不僅不會(huì)形成數(shù)目眾多的金屬化合物，反而形成簡單的體心立方或面心立方相 甚至非晶質(zhì)，所得相數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于平衡相率所預(yù)測的相數(shù)。因此，通過適當(dāng)?shù)暮辖鹋浞皆O(shè)計(jì)， 可獲得高硬度、高加工硬化、耐高溫軟化、耐高溫氧化、耐腐蝕、高電阻率等特性組合，因此 具有很大的應(yīng)用潛力。
[0004] 迄今為止，高熵合金主要采用真空電弧爐熔煉和熔鑄等方法制備，也有采用電化 學(xué)沉積和磁控濺射制備高熵合金薄膜的方法，但這些方法所制備的薄膜厚度僅能達(dá)到微米 尺度，難以發(fā)揮高熵合金力學(xué)性能方面的優(yōu)勢，且對基底材料有一定要求。激光熔覆由于具 有高的加熱和冷卻速率，涂層與基體為冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高，涂層厚度最高可達(dá)幾毫米。 此外，激光熔覆的快速凝固特點(diǎn)能夠使合金組織細(xì)化，從而獲得較高的硬度和耐磨性能。因 此，通過適當(dāng)?shù)暮辖鹋浞皆O(shè)計(jì)，采用激光熔覆獲得高熵合金涂層，在成本低廉的鋼基體上制 備高熵合金涂層，對于拓展高熵合金的實(shí)際應(yīng)用具有很大的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種完全由金屬元素組成的激光 熔覆用高熵合金粉末及熔覆層制備方法，進(jìn)行材料表面改性，提高材料硬度和耐磨性。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)目的通過下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
[0007] 高熵合金粉末，由Fe、Ni、Cr、Al、Cu和Mn元素粉末組成，即合金粉末組成表示為 FeNiCrAlCuMnx，X為Mn的摩爾比且其取值范圍為0~1，具體來說，所述Fe、Ni、Cr、Al、Cu 之間為等摩爾比，調(diào)整金屬M(fèi)n的用量，以使其使用摩爾量與Si (或者其余四種元素）的摩 爾比為0~1，優(yōu)選0. 3 - 1，更加優(yōu)選0. 5 - 0. 7。
[0008] 在進(jìn)行制備時(shí)，首先按照各自元素的摩爾比進(jìn)行配比計(jì)算，準(zhǔn)確稱量各個(gè)組分的 質(zhì)量后將其進(jìn)行充分混合以均勻即可，例如采用電子稱稱取各種元素的粉末，在研缽中研 磨半小時(shí)使其混合均勻。其中選用各個(gè)組分均為純度大于等于99%的粉末，粒徑為100- 500目，優(yōu)選200- 300目。
[0009] 利用本發(fā)明的合金粉末應(yīng)用到激光熔覆焊接中，將高熵合金粉末和乙醇混合后， 均勻涂覆在基體材料表面，干燥后通過激光熔覆即可獲得熔覆層。其中所述乙醇選用分析 純的無水乙醇，在高熵合金粉末和乙醇混合物中，按照質(zhì)量百分?jǐn)?shù)由92~95%的合金粉末 與5~8%的乙醇組成。在混合后，形成糊狀或膏狀，以便于在基體材料表面繼續(xù)涂覆，經(jīng)涂 覆后在基體材料表面形成預(yù)制層，所述預(yù)制層厚度為1 一 2mm。
[0010] 在進(jìn)行激光熔覆時(shí)，選用基體材料為42CrM〇鋼，工藝參數(shù)為：激光功率為1550~ 1650KW，光斑直徑為0· 8~1.0 mm，掃描速度為150~200mm/min，離焦量為0mm，保護(hù)氣體 采用氬氣或氦氣，氣體流量為20~25L/min ;優(yōu)選激光功率為1580~1620KW，光斑直徑為 0. 8~I. 0mm，掃描速度為180~200mm/min，離焦量為0mm，保護(hù)氣體采用氬氣，氣體流量為 22 ~25L/min〇
[0011] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0012] (1)本發(fā)明合金粉末中，除去基本元素鐵之外充分發(fā)揮各個(gè)元素的最大性能，Ni 主要用于提高材料潤濕性并改善熔覆層性能，Cr主要通過固溶強(qiáng)化提高熔覆層硬度以及用 于提高熔覆層耐蝕性，Al主要提高熔覆層的抗高溫氧化性能，并通過固溶強(qiáng)化作用和增大 晶界滑移阻力來提高熔覆層硬度。此外，由于鋁表面極易氧化形成致密的氧化膜，在合金中 添加 Al還可以提高熔覆層的耐蝕性，Cu主要用于提高熔覆層耐磨性，Mn主要用于脫氧。
[0013] (2)本發(fā)明提供了 一種完全由金屬元素組成的高熵合金粉末，并通過激光熔覆獲 得了成形良好的熔覆層。
[0014] (3)本發(fā)明提出的激光熔覆用高熵合金粉末可根據(jù)材料使用性能要求，在較大范 圍內(nèi)進(jìn)行主元合金的配制，從而改變恪覆層性能。
【附圖說明】
[0015] 圖1為FeNiCrAlCu熔覆層宏觀形貌。
[0016] 圖2為FeNiCrAlCuMn熔覆層宏觀形貌。
[0017] 圖3為FeNiCrAlCu熔覆層全貌。
[0018] 圖4為FeNiCrAlCuMn熔覆層全貌。
[0019] 圖5為FeNiCrAlCu熔覆層金相組織。
[0020] 圖6為FeNiCrAlCuMn熔覆層金相組織。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。各個(gè)金屬元素來源如下表所 示：
[0022]
[0023] 基體材料選用42CrMo鋼，采用機(jī)械打磨去除氧化物，采用丙酮去除油污，其化學(xué) 成分如下表（質(zhì)量分?jǐn)?shù)％)所示
[0025] 按照下述方法進(jìn)行實(shí)施：
[0026] 1.按照摩爾比進(jìn)行FeNiCrAlCuMnx(其中X為摩爾比，且其取值范圍為0~1)高 熵合金粉末配比計(jì)算，采用電子稱稱取各種元素的粉末，在研缽中研磨半小時(shí)使其混合均 勻。
[0027] 2.將92~95%的激光熔覆粉末與5~8%的乙醇混合成糊狀或膏狀后，涂覆在基 體材料表面，預(yù)制層厚度為1 一 2_，風(fēng)干后通過激光熔覆即可獲得熔覆層。
[0028] 3.選擇激光器采用JK2003SM型Nd :YAG進(jìn)行激光熔覆。
[0029] 4.金相組織觀察設(shè)備采用OLYMPUS-GX51金相顯微鏡，生產(chǎn)商：日本OLYMPUS (奧 林巴斯）公司。
[0030] 實(shí)施案例1
[0031] 1.按照摩爾比進(jìn)行FeNiCrAlCuMnx(取X = 0)高熵合金粉末配比計(jì)算：Fe為 20mol %，Ni 為 20mol %，Cr 為 20mol %，Al 為 20mol %，Cu 為 20mol %，采用電子稱稱取各 種元素的粉末。
[0032] 2.倒入研缽，在研缽中研磨半小時(shí)使其混合均勻。
[0033] 3.將配制好的激光熔覆粉末，92%與8%乙醇混合成糊狀或膏狀后，涂覆在 42CrM 〇鋼表面，預(yù)置層厚度為1mm，風(fēng)干后進(jìn)行激光熔覆。
[0034] 4.激光器采用JK2003SM型Nd :YAG，激光熔覆工藝參數(shù)為：激光功率為1550KW， 光斑直徑為0. 8mm，掃描速度為180mm/min，離焦量為0mm，保護(hù)氣體采用氬氣，氣體流量為 25L/min〇
[0035] 5.激光熔覆后采用王水進(jìn)行腐蝕，獲得了熔覆層的金相照片