CN102828139A

CN102828139A - 一种喷涂用高熵合金粉末

Info

Publication number: CN102828139A
Application number: CN2012103656988A
Authority: CN
Inventors: 张晖; 何宜柱
Original assignee: Anhui University of Technology AHUT
Current assignee: Anhui University of Technology AHUT
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2012-12-19

Abstract

本发明公开了一种喷涂用高熵合金粉末，属于合金材料技术领域。该高熵合金粉末成分由5种或5种以上金属元素和非金属Si、B元素组成；所述的每种金属元素添加含量占高熵合金粉末总摩尔数的5～35mol%，添加的非金属Si元素含量占高熵合金总摩尔数的1～20mol%，添加的非金属B元素含量占高熵合金总摩尔数的1～10mol%。本发明高熵合金粉末及其所制备的涂层凝固后能避免传统多元合金凝固后大量脆性相的析出，涂层具有简单的fcc或bcc固溶体相结构，可大大降低多元合金的脆性，具有高硬度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等多种优异性能，可应用于热喷涂、激光熔覆等多种表面涂层技术，具有广阔的应用前景。

Description

一种喷涂用高熵合金粉末

技术领域

本发明涉及合金材料技术领域，具体涉及一种适用于热喷涂、激光熔覆等表面涂层技术的喷涂用高熵合金粉体。

背景技术

传统的合金设计理念大多是已单一主元为基体的合金体系，当其它组元种类和含量添加过多，则会导致多种脆性金属间化合物生成，降低材料韧性，使材料失去应用价值。2004年，中国台湾发明专利第193729号披露了一种新型高熵合金块体材料，其合金成分范围为含有5至11种主要金属元素，且每一种主要金属元素的摩尔数与该合金的总摩尔数比介于5%至35%之间。多主元高熵合金借助其特有的高熵效应，缓慢扩散效应，纳米相强化及超高晶格畸变等特点，可有效避免传统多元合金脆性相的析出，多形成简单的FCC和BCC固溶体相结构，从而有利于保持合金的高韧性，并可以赋予材料高的硬度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等多种优异性能。

2007年之后，国内陆续出现了与高熵合金相关的研究报道和专利申请。已有的公开专利，公开号CN 101418394A提出了一种高熵合金与硬质陶瓷相混合制备超硬复合材料技术，材料硬度可达到800~2400 HV。公开号CN 101386928提出了一种含难混溶金属元素的高熵合金制备方法，解决了高熵合金制备过程中不存在固溶区的合金元素固溶问题，进一步扩展了高熵合金的成分选择范围。以上专利的研究均显示高熵合金具有良好的性能和应有前景。但是在实际应用中，由于该类合金制备通常需要较高的凝固速度，且成分多数含有资源稀缺的Ni、Co等贵金属，制备块体材料成本高，尺寸小。相对而言，采用热喷涂和激光熔覆等快速凝固表面技术在低成本金属材料表面涂覆高性能高熵合金涂层具有良好的应用前景。但由于高熵合金粉末中不同种类的金属元素之间及其与基体材料之间密度、熔点、比热和膨胀系数等热物理性能存在较大差异，直接用于激光熔覆、热喷涂等表面技术难以得到成分均匀的涂层，涂层的成型质量和表面连续性无法满足生产使用要求。因此，制造适用于热喷涂、激光熔覆等表面涂层技术的喷涂用高熵合金粉体是高性能高熵合金涂层制备的急需。

发明内容

本发明的目的是将非金属元素Si、B与纯金属组成的高熵合金复合，提供一种含非金属Si、B元素的喷涂用高熵合金粉体材料，该粉体应用于热喷涂和激光熔覆等表面改性技术时不仅可保持高熵合金特有的简单固溶体凝固相结构，而且可获得良好的涂层涂覆质量。

为了实现以上技术目的，本发明是通过以下技术方案予以实现的。

一种喷涂用高熵合金粉末，该高熵合金粉末成分由5种或5种以上金属元素和非金属Si、B元素组成；所述的每种金属元素添加含量占高熵合金粉末总摩尔数的5～35 mol%，添加的非金属Si元素含量占高熵合金总摩尔数的1～20 mol%，添加的非金属B元素含量占高熵合金总摩尔数的1～10 mol%。

进一步的，所述组成高熵合金粉末的金属元素有6种，分别是Ni、Co、Fe、Cr、Al、Cu，其中Ni、Co、Fe、Cr、Al添加含量均为15 mol%，Cu为7.5 mol%；所述组成高熵合金粉末的的非金属Si元素含量占高熵合金粉末总摩尔数的15 mol%，非金属B元素含量占高熵合金粉末总摩尔数的2.5 mol%。

本专利提出的一种喷涂用高熵合金粉末可根据材料使用性能要求，在很宽范围内任意进行合金主元配置，涂层性能由粉末的成分所设计，并解决了现有高熵合金材料由纯金属配置，难以应用于涂层制备的限制。通过5种或5种以上近等摩尔比配制的金属合金粉末中联合添加一定量的Si、B非金属元素，提高了粉末的自熔性和喷涂效果，可应用于热喷涂、激光熔覆等多种表面涂层技术。

附图说明

图1为本发明CuCoNiCrFe高熵合金单道涂层表面形貌图。

其中：(a)为未填加Si、B等元素的CuCoNiCrFe涂层表面形貌图；(b)为添加少量Si、B等元素后CuCoNiCrFe涂层表面形貌图。

图2为本发明NiCoFeCrSiAlCu_0.5高熵合金多道涂层表面形貌图。

图3为本发明四种成分高熵合金涂层的相结构图。

具体实施方式

按成分设计的要求制备5种以上元素组成的高熵合金粉末，再添加所需分数的Si、B等元素。粉末的制造技术即可采用纯金属粉末或合金粉末配置，也可先冶炼成合金、再采用机械法、水雾化和气雾化法制备成合金粉末。粉体制备后为多角形或球形。采用高功率CO₂激光器同步式送粉或预置式送粉方式，在待处理的基体材料表面进行单道次或多道次大面积涂层熔覆，并同时对激光熔覆处理区域进行同步的惰性气体保护。

以下结合实施例详述本发明，但本发明不局限于下述实施例。

实施例1

CuCoNiCrFe高熵合金涂层制备：

按摩尔百分比制备CuCoNiCrFe的高熵合金粉末，采用纯金属元素粉末配置，5种主要元素的添加含量均为19.6%，并添加B: 1%、Si: 1%。所配置的元素经均匀混合后在CO₂高功率激光器辐照下采用同步送粉方式单道次熔覆在Q235基体材料表面，所用的激光功率为2.0 kW，扫描速度为100 mm/min，熔覆时用惰性气体保护。

实施例2

NiCoFeCrAl₂高熵合金涂层制备：

按摩尔百分比制备NiCoFeCrAl₂高熵合金粉末，采用纯金属元素粉末配置，其中Ni、Co、Fe、Cr添加含量均为16%，Al添加含量为32%，B和Si添加含量分别为2%。所配置的元素经均匀混合后在CO₂高功率激光器辐照下采用同步送粉方式多道次熔覆在Q235基体材料表面，所用的激光功率为3.5 kW，扫描速度为500 mm/min，熔覆时用惰性气体保护。

实施例3

NiCoFeCrSiAlCu_0.5高熵合金涂层制备：

按摩尔百分比制备NiCoFeCrSiAlCu_0.5高熵合金粉末，其中Ni、Co、Fe、Cr、Si、Al添加含量均为15%，Cu为7.5%，并添加B: 2.5%，先经真空电弧炉熔炼成块体合金后，采用机械研磨法制备成所需粉末。在CO₂高功率激光器辐照下采用同步送粉方式多道次熔覆在Q235基体材料表面，所用的激光功率为5 kW，扫描速度为250 mm/min，道次搭接率30%，熔覆时用惰性气体保护。

实施例4

NiCoFeCrCuTiSiAlMoB_0.5高熵合金涂层制备：

按摩尔百分比制备NiCoFeCrCuTiSiAlMoB_0.5高熵合金，采用纯金属元素配置，其中Ni、Co、Fe、Cr、Cu、Ti、Si、Al、Mo添加含量均为10.5%，B添加量为5.5%，采用气雾法制备成合金粉末。随后在CO₂高功率激光器辐照下采用同步送粉方式多道次熔覆在Q235基体材料表面，所用的激光功率为2 kW，扫描速度为500 mm/min，熔覆时用惰性气体保护。

以下结合附图和附表对本发明做进一步的说明。

图1是实施例1添加少量Si、B等元素后CuCoNiCrFe涂层的单道熔覆层表面形貌与未添加Si、B等元素相应熔覆层表面形貌对比图，可以看出图1(a)中未填加Si、B等元素的CuCoNiCrFe涂层表面形貌为断续状，不能连续成型和工业化应用，而图1(b)添加少量Si、B等合金元素后，具有连续、光滑的表面形貌。激光熔覆高熵合金涂层在工业上的应用更重要的是成功制备多道次涂层，从而满足基体表面大面积熔覆和改性的需求。

图2是实施例2激光熔覆NiCoFeCrSiAlCu_0.5高熵合金涂层多道次涂层熔覆后的形貌特征，可以看出涂层经多道次激光扫描后可以形成连续的大面积高熵合金涂层，且涂层仍然保持了良好的表面形貌。本发明的研究结果为激光熔覆高熵合金涂层未来的工业实际应用提供了较好的工艺解决方案。

图3是以上四个实施例所制备的四种成分高熵合金涂层的相结构X射线衍射分析，可以看出四种成分的涂层激光熔覆快速凝固后均未出现复杂的金属间化合物析出相，涂层主要相结构具有高熵合金典型的简单fcc或bcc凝固相结构。其中，CuCoNiCrFe涂层为fcc结构，NiCoFeCrAl₂和NiCoFeCrCuTiSiAlMoB_0.5涂层为bcc结构，而NiCoFeCrSiAlCu_0.5涂层为bcc和fcc两相结构。

表1是上述四种成分高熵合金涂层的硬度比较，其中，CuCoNiCrFe涂层硬度为370 HV，NiCoFeCrAl₂涂层硬度780 HV，NiCoFeCrSiAlCu_0.5涂层硬度为950 HV，NiCoFeCrCuTiSiAlMoB_0.5涂层硬度为1150 HV。而已商业化镍基Ni60自熔性合金粉末(Ni60成分为: C 0.9、Fe 4.2、Si 4.1、Cr 16.3、B: 3、Ni 余量)所制备的涂层硬度一般仅为500 HV左右。可以看出部分高熵合金涂层具有极高的硬度值。

表1 本发明四种成分高熵合金涂层的显微硬度

表2是上述四种成分高熵合金熔覆涂层在3.5%NaCl溶液中浸泡30min后极化曲线数据。其中，腐蚀电位越负，腐蚀电流越小，涂层的耐腐蚀性能越高。从图中可以看出根据成分的调整，不同成分高熵合金涂层耐腐蚀性能有一定程度差别，但均高于相同工艺条件下获得的已商业化镍基Ni60自熔性合金粉末所制备的涂层。

表2 本发明四种成分高熵合金熔覆涂层在3.5 %NaCl溶液中浸泡30min后极化曲线数据

本发明高熵合金粉末及其所制备的涂层凝固后能避免传统多元合金凝固后大量脆性相的析出，如金属间化合物，涂层具有简单的fcc或bcc固溶体相结构，可大大降低多元合金的脆性，具有高硬度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等多种优异性能，可应用于热喷涂、激光熔覆等多种表面涂层技术，为不同尺寸零部件表面以及低等级材料表面改性提供了新的涂层材料，因而具有广阔的应用前景。

Claims

1.一种喷涂用高熵合金粉末，其特征在于，该高熵合金粉末成分由5种或5种以上金属元素和非金属Si、B元素组成；所述的每种金属元素添加含量占高熵合金粉末总摩尔数的5～35 mol%，添加的非金属Si元素含量占高熵合金粉末总摩尔数的1～20 mol%，添加的非金属B元素含量占高熵合金粉末总摩尔数的1～10 mol%。

2.如权利要求1所述的一种喷涂用高熵合金粉末，其特征在于，所述组成高熵合金粉末的金属元素有6种，分别是Ni、Co、Fe、Cr、Al、Cu，其中Ni、Co、Fe、Cr、Al添加含量均为15 mol%，Cu为7.5 mol%；所述组成高熵合金粉末的的非金属Si元素含量占高熵合金粉末总摩尔数的15 mol%，非金属B元素含量占高熵合金粉末总摩尔数的2.5 mol%。