六元高熵合金粉末及激光熔覆层制备方法和应用

摘要

本发明公开了六元高熵合金粉末及激光熔覆层制备方法和应用，合金粉末组成表示为FeNiCrAlSiCu，六种金属元素使用的摩尔数一致。首先按照各自元素的摩尔比进行配比计算，准确称量各个组分的质量后将其进行充分混合以均匀即可，利用本发明的合金粉末应用到激光熔覆焊接中，将六元高熵合金粉末和乙醇混合后，均匀涂覆在基体材料表面，干燥后通过激光熔覆即可获得熔覆层。本发明技术方案提供由金属元素和非金属元素共同组成的高熵合金粉末，提高了粉末的自熔性，能够制备成形良好、硬度较高、耐磨性较好的熔覆层，性能较基材有了明显改善。

说明书

技术领域

本发明涉及多主元激光熔覆用高熵合金粉末及熔覆层制备领域，更加具体地说，涉 及六元高熵合金粉末及激光熔覆层制备方法和应用。

背景技术

多主元高熵合金是上世纪九十年代由我国台湾学者叶均蔚教授提出的一种新型合 金，高熵合金有别于以单一元素为主的传统合金，它由5～13种元素组成，每种元素的 摩尔分数介于5%～35%间，其性能是由多种主元共同作用决定的。此种合金设计理念的提 出，打破了传统合金单元素为主的设计思想，开启了一个新的合金设计领域。由于高熵 合金呈现出很多传统合金不具备的优良特性，例如高硬度、高加工硬化、抗高温软化、 耐腐蚀、耐高温氧化等优异特性，可应用于耐高温材料，化工、舰船耐腐蚀性材料，飞 机涡轮叶片、高温炉的耐热材料，具有很大的应用前景。

目前，已有通过采用电沉积和磁控溅射的方法制备出高熵合金涂层，但是通过这些 方法得到的涂层太薄，不能满足重载应用场合。激光熔覆具有高的加热和冷却速率，涂 层与基体为冶金结合，结合强度高，涂层厚度最高可达几毫米。此外，激光熔覆的快速 凝固特点能够使合金组织细化，从而获得较高的硬度和耐磨性能。但目前关于激光熔覆 高熵合金涂层的研究较少，还处于起步阶段。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种高熵合金粉末材料及熔覆层制 备方法，获得成形良好的熔覆层，提高材料硬度和耐磨性。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

六元高熵合金粉末，由Fe、Ni、Cr、Al、Si和Cu元素粉末组成，即合金粉末组成 表示为FeNiCrAlSiCu，具体来说，所述Fe、Ni、Cr、Al、Si和Cu之间为等摩尔比，即 六种金属元素使用的摩尔数一致。

在进行制备时，首先按照各自元素的摩尔比进行配比计算，准确称量各个组分的质 量后将其进行充分混合以均匀即可，例如采用电子称称取各种元素的粉末，在研钵中研 磨半小时使其混合均匀。其中选用各个组分均为纯度大于等于99％的粉末，粒径为 100—500目，优选200—300目。

利用本发明的合金粉末应用到激光熔覆焊接中，将六元高熵合金粉末和乙醇混合后， 均匀涂覆在基体材料表面，干燥后通过激光熔覆即可获得熔覆层。

其中所述乙醇选用分析纯的无水乙醇，在六元高熵合金粉末和乙醇混合物中，按照 质量百分数由92～95%的合金粉末与5～8%的乙醇组成。

在混合后，形成糊状或膏状，以便于在基体材料表面继续涂覆，经涂覆后在基体材 料表面形成预制层，所述预制层厚度为1—2mm。

在进行激光熔覆时，选用基体材料为42CrMo钢，工艺参数为：激光功率为 1550～1650KW，光斑直径为0.8～1.0mm，扫描速度为150～200mm/min，离焦量为0mm，保 护气体采用氩气或氦气，气体流量为20～25L/min；优选激光功率为1580～1620KW，光斑 直径为0.8～1.0mm，扫描速度为180～200mm/min，离焦量为0mm，保护气体采用氩气，气 体流量为22～25L/min。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

（1）本发明合金粉末中，除去基本元素铁之外充分发挥各个元素的最大性能，Ni 主要用于提高材料润湿性并改善熔覆层性能，Cr主要通过固溶强化提高熔覆层硬度以及 用于提高熔覆层耐蚀性，Al主要提高熔覆层的抗高温氧化性能，并通过固溶强化作用和 增大晶界滑移阻力来提高熔覆层硬度。此外，由于铝表面极易氧化形成致密的氧化膜， 在合金中添加Al还可以提高熔覆层的耐蚀性，Si主要用于脱氧，Cu主要用于提高熔覆 层耐磨性。

（2）本发明提供了一种由金属元素和非金属元素共同组成的高熵合金粉末，提高了 粉末的自熔性。

（3）本发明制备了成形良好、硬度较高、耐磨性较好的熔覆层，性能较基材有了明 显改善。

附图说明

图1为FeNiCrAlSiCu熔覆层宏观形貌。

图2为FeNiCrAlSiCu熔覆层全貌。

图3为FeNiCrAlSiCu熔覆层金相组织。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。各个金属元素来源如下表所示：

药品名称 分子式 纯度 规格 生产厂家 铁粉 Fe ≥99% 分析纯 天津化学试剂一厂 铬粉 Cr ≥99% 分析纯 天津光复精细化工研究所 镍粉 Ni ≥99.5% 分析纯 湖北天门化学试剂二厂 铝粉 Al ≥99% 分析纯 天津风船化学试剂有限公司 硅粉 Si ≥99% 分析纯 天津光复精细化工研究所 铜粉 Cu ≥99.5% 分析纯 天津大学科威公司

基体材料选用42CrMo钢，采用机械打磨去除氧化物，采用丙酮去除油污，其化学成分如 下表（质量分数%）所示：

C Mn Si Cr Mo Ni Cu 0.38～0.45 0.50～0.80 0.17～0.37 0.90～1.20 0.15～0.25 ≤0.030 ≤0.030

按照下述方法进行实施：

1.按照摩尔比进行FeNiCrAlCuMn高熵合金粉末配比计算，采用电子称称取各种元 素的粉末，在研钵中研磨半小时使其混合均匀。

2.将92～95%的激光熔覆粉末与5～8%的乙醇混合成糊状或膏状后，涂覆在基体材料 表面，预制层厚度为1—2mm，风干后通过激光熔覆即可获得熔覆层。

3.选择激光器采用JK2003SM型Nd：YAG进行激光熔覆。

4.金相组织观察设备采用OLYMPUS—GX51金相显微镜，生产商：日本OLYMPUS（奥林 巴斯）公司。

实施案例1

1.按照摩尔比进行FeNiCrAlSiCu高熵合金粉末配比计算：Fe为16.67mol%，Ni为 16.67mol%，Cr为16.67mol%，Al为16.67mol%，Si为16.66mol%，Cu为16.66mol%，总 摩尔比为100%，并采用电子称称取各种元素的粉末。

2.倒入研钵，在研钵中研磨半小时使其混合均匀。

3.将配制好的激光熔覆粉末，92%与8%乙醇混合成糊状或膏状后，涂覆在42CrMo钢 表面，预置层厚度为1mm，风干后进行激光熔覆。

4.激光熔覆工艺参数为：激光功率为1550KW，光斑直径为0.8mm，扫描速度为 180mm/min，离焦量为0mm，保护气体采用氩气，气体流量为25L/min。

5.激光熔覆后采用王水进行腐蚀，获得了熔覆层的金相照片。

采用自动转塔数显硬度计测量了熔覆层的显微硬度，实验结果如下表所示，激光熔 覆后平均硬度达到了523.3HV，比母材显著提高。

  硬度值 硬度值2 硬度值3 平均硬度 母材 286HV 282HV 285HV 284HV FeNiCrAlSiCu熔覆层 520.8HV 523.8HV 525.2HV 523.3HV

采用MM-200型磨损试验机测定了其耐磨性，试样尺寸为7×7×25mm，摩擦工况为干 磨滑动摩擦，加载为5kg，转速为200r/min，实验时间为1h；用电子称测量前后质量（测 量前用超声波清洗仪清洗），实验结果如下表所示。可以看出，母材的失重是熔覆层的 11.49倍，与母材相比，熔覆层的耐磨性显著提高。

  磨损前质量/g 磨损前质量/g 失重/mg 母材 9.0479 9.0008 47.1 FeNiCrAlSiCu熔覆层 9.2616 9.2575 4.1

实施案例2

1.将配制好的激光熔覆粉末，95%与5%乙醇混合成糊状或膏状后，涂覆在42CrMo钢 表面，预置层厚度为2mm，风干后进行激光熔覆。

2.激光熔覆工艺参数为：激光功率为1650KW，光斑直径为1.0mm，扫描速度为 200mm/min，离焦量为0mm，保护气体采用氦气，气体流量为20L/min。

3.采用相同进行性能测试，结果如下表所示：

实施案例3

1.将配制好的激光熔覆粉末，94%与6%乙醇混合成糊状或膏状后，涂覆在42CrMo钢 表面，预置层厚度为1.5mm，风干后进行激光熔覆。

2.激光熔覆工艺参数为：激光功率为1620KW，光斑直径为0.9mm，扫描速度为 180mm/min，离焦量为0mm，保护气体采用氩气，气体流量为22L/min。

3.采用相同进行性能测试，结果如下表所示：

实施案例4

1.将配制好的激光熔覆粉末，93%与7%乙醇混合成糊状或膏状后，涂覆在42CrMo钢 表面，预置层厚度为1mm，风干后进行激光熔覆。

2.激光熔覆工艺参数为：激光功率为1580KW，光斑直径为0.8mm，扫描速度为 150mm/min，离焦量为0mm，保护气体采用氦气，气体流量为20L/min

3.采用相同进行性能测试，结果如下表所示：

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下， 任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落 入本发明的保护范围。