[發明專利]高熵合金粉末及熔覆層制備方法和應用

有效

• 申請號: 201310471107.X
• 申請日: 2013-10-10
• 公開（公告）號: CN104141127A
• 公開（公告）日: 2014-11-12
• 發明（設計）人: 羅震;顏福裕;談輝;段瑞
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: C23C24/10
• 分類號: C23C24/10;B22F1/00;C22C30/02
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 王秀奎

技術領域

本發明屬于涂層技術領域，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用。

背景技術

高熵合金是上世紀九十年代中期由我國臺灣學者葉均蔚教授首先提出的一種新型合金，基于等摩爾比、高混合熵的理念設計的高熵合金具有顯微結構簡單化、納米析出物、非晶結構、納米晶粒等組織特征。多主元高熵合金，突破傳統的單元素為主，多主元高熵合金凝固后不僅不會形成數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，所得相數遠遠低于平衡相率所預測的相數。因此，通過適當的合金配方設計，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，因此具有很大的應用潛力。

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到微米尺度，難以發揮高熵合金力學性能方面的優勢，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合，結合強度高，涂層厚度最高可達幾毫米。此外，激光熔覆的快速凝固特點能夠使合金組織細化，從而獲得較高的硬度和耐磨性能。因此，通過適當的合金配方設計，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際應用具有很大的意義。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，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，進行材料表面改性，提高材料硬度和耐磨性。

本發明的技術目的通過下述技術方案予以實現：

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，調整金屬Mn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，優選0.3—1，更加優選0.5—0.7。

在進行制備時，首先按照各自元素的摩爾比進行配比計算，準確稱量各個組分的質量后將其進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使其混合均勻。其中選用各個組分均為純度大于等于99％的粉末，粒徑為100—500目，優選200—300目。

利用本發明的合金粉末應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，按照質量百分數由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涂覆，經涂覆后在基體材料表面形成預制層，所述預制層厚度為1—2mm。

在進行激光熔覆時，選用基體材料為42CrMo鋼，工藝參數為：激光功率為1550～1650KW，光斑直徑為0.8～1.0mm，掃描速度為150～200mm/min，離焦量為0mm，保護氣體采用氬氣或氦氣，氣體流量為20～25L/min；優選激光功率為1580～1620KW，光斑直徑為0.8～1.0mm，掃描速度為180～200mm/min，離焦量為0mm，保護氣體采用氬氣，氣體流量為22～25L/min。

與現有技術相比，本發明具有如下優點：

（1）本發明合金粉末中，除去基本元素鐵之外充分發揮各個元素的最大性能，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。

（2）本發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。

（3）本發明提出的激光熔覆用高熵合金粉末可根據材料使用性能要求，在較大范圍內進行主元合金的配制，從而改變熔覆層性能。

附圖說明

圖1為FeNiCrAlCu熔覆層宏觀形貌。

圖2為FeNiCrAlCuMn熔覆層宏觀形貌。

圖3為FeNiCrAlCu熔覆層全貌。

圖4為FeNiCrAlCuMn熔覆層全貌。

圖5為FeNiCrAlCu熔覆層金相組織。

圖6為FeNiCrAlCuMn熔覆層金相組織。

具體實施方式