CN104141084B - 激光熔覆用高熵合金粉末及熔覆层制备方法和用途 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了激光熔覆用高熵合金粉末及熔覆层制备方法和用途，由铁、镍、铬、铝、硅和锰元素粉末组成，所述Fe、Ni、Cr、Al、Si之间为等摩尔比，所述Mn的摩尔比x为0～1。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，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，其中基体材料为42CrMo钢。本发明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。

Description

激光熔覆用高熵合金粉末及熔覆层制备方法和用途
技术领域
本发明涉及多主元激光熔覆材料及熔覆层制备领域，更加具体地说，具体涉及一种激光熔覆用高熵合金粉末及熔覆层制备方法和用途。
背景技术
激光熔覆是近年来快速发展的一种表面改性技术，它通过在基材表面添加熔覆材料,并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，从而在基材表面形成冶金结合的熔覆层。传统的激光熔覆粉末是以单一主元为基体的合金体系，如镍基、铁基、钴基自熔性合金粉末，而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，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。
按照Gibbs相规则，当合金由多种主要元素组成时，F=C—P+1，F为自由度，C为组元数，P为相数。在恒压下，一个C组元系统中最大的平衡相数P=C+1。因此，高熵合金倾向于形成简单固溶体，而不是形成金属间化合物，使得合金内相的总数远远低于Gibbs相规则所允许的数值。高熵效应是造成这种现象的原因。由于高熵效应抑制了脆性金属间化合物的出现，高熵合金凝固后不仅不会形成数目众多的金属化合物，反而形成简单的体心立方或面心立方相甚至非晶质，所得相数远远低于平衡相率所预测的相数。因此，通过适当的合金配方设计，可获得高硬度、高加工硬化、耐高温软化、耐高温氧化、耐腐蚀、高电阻率等优异特性，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。
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，直接用于激光熔覆时难以获得表面连续、成形良好、成分均匀的熔覆层。因此，配制适合于激光熔覆的高熵合金粉末是显得尤为必要。
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：
激光熔覆用高熵合金粉末，由Fe、Ni、Cr、Al、Si和Mn元素粉末组成，即合金粉末组成表示为FeNiCrAlSiMnx，x为Mn的摩尔比且其取值范围为0～1，具体来说，所述Fe、Ni、Cr、Al、Si之间为等摩尔比，调整金属Mn的用量，以使其使用摩尔量与Si（或者其余四种元素）的摩尔比为0～1，优选0.3—1，更加优选0.5—0.7。
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，将激光熔覆用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，在激光熔覆用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和Mn主要用于脱氧。
（2）本发明提供了一种高熵合金粉末及熔覆层制备方法，该方法工艺简单，实施简便，成本适中，具有应用价值。
（3）本发明制备了成形良好、硬度较高、耐磨性较好的熔覆层。此外，与其他方法相比，激光熔覆获得的涂层与基材结合强度更高。
附图说明
图1为FeNiCrAlSi熔覆层宏观形貌。
图2为FeNiCrAlSiMn熔覆层宏观形貌。
图3为FeNiCrAlSi熔覆层全貌。
图4为FeNiCrAlSiMn熔覆层全貌。
图5为FeNiCrAlSi熔覆层金相组织。
图6为FeNiCrAlSiMn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
锰粉 Mn ≥99.8% 分析纯 天津光复精细化工研究所
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FeNiCrAlSiMnx（其中x为摩尔比，且其取值范围为0～1）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。
实施案例1
1.按照摩尔比进行FeNiCrAlSiMnx（取x=0）高熵合金粉末配比计算：Fe为20mol%，Ni为20mol%，Cr为20mol%，Al为20mol%，Si为20mol%，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，取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.激光器采用JK2003SM型Nd：YAG，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（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）。
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，激光熔覆后硬度达到了512.0HV，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
FeNiCrAlSi熔覆层 498.6HV 516.7HV 520.8HV 512.0HV
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3.6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
FeNiCrAlSi熔覆层 9.7562 9.7431 13.1
实施案例2
1.按照摩尔比进行FeNiCrAlSiMnx（取x=1）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%，Mn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，取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。
4.激光器采用JK2003SM型Nd：YAG，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（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）。
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489.2HV，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
FeNiCrAlSiMn熔覆层 481.5HV 483.7HV 502.5HV 489.2HV
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3.32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
FeNiCrAlSiMn熔覆层 9.5063 9.4921 14.2
实施案例3
1.按照摩尔比进行FeNiCrAlSiMnx（取x=0.3）高熵合金粉末配比各个金属元素：Fe，Ni，Cr，Al和Si为等摩尔，Mn为Si摩尔数的0.3，进行混合均匀和使用，参考上述实施案例
2.激光熔覆工艺：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：
硬度
硬度值 硬度值2 硬度值3 平均硬度
母材 286HV 282HV 285HV 284HV
FeNiCrAlSiMn0.3熔覆层 500.2HV 519.7HV 522.5HV 514.1HV
耐磨性
磨损前质量/g 磨损前质量/g 失重/mg
母材 9.0479 9.0008 47.1
FeNiCrAlSiMn0.3熔覆层 9.6503 9.5213 12.9
实施案例4
1.按照摩尔比进行FeNiCrAlSiMnx（取x=0.5）高熵合金粉末配比各个金属元素：Fe，Ni，Cr，Al和Si为等摩尔，Mn为Si摩尔数的0.5，进行混合均匀和使用，参考上述实施案例
2.激光熔覆工艺：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，保护气体采用氦气，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：
硬度
硬度值 硬度值2 硬度值3 平均硬度
母材 286HV 282HV 285HV 284HV
FeNiCrAlSiMn0.5熔覆层 501.5HV 523.7HV 533.2HV 519.5HV
耐磨性
磨损前质量/g 磨损前质量/g 失重/mg
母材 9.0479 9.0008 47.1
FeNiCrAlSiMn0.5熔覆层 9.5267 9.4017 12.5
实施案例5
1.按照摩尔比进行FeNiCrAlSiMnx（取x=0.7）高熵合金粉末配比各个金属元素：Fe，Ni，Cr，Al和Si为等摩尔，Mn为Si摩尔数的0.7，进行混合均匀和使用，参考上述实施案例
2.激光熔覆工艺：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：
硬度
硬度值 硬度值2 硬度值3 平均硬度
母材 286HV 282HV 285HV 284HV
FeNiCrAlSiMn0.7熔覆层 483.7HV 500.5HV 511.0HV 498.4HV
耐磨性
磨损前质量/g 磨损前质量/g 失重/mg
母材 9.0479 9.0008 47.1
FeNiCrAlSiMn0.7熔覆层 9.5719 9.4339 13.8
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。

Claims (9)

1.激光熔覆用高熵合金粉末，其特征在于，由Fe、Ni、Cr、Al、Si和Mn元素粉末组成，即FeNiCrAlSiMnx，其中所述Fe、Ni、Cr、Al、Si之间为等摩尔比，所述Mn的摩尔比x为0.3—1。
2.根据权利要求1所述的激光熔覆用高熵合金粉末，其特征在于，所述Mn的摩尔比x为0.5—0.7。
3.根据权利要求1或者2所述的激光熔覆用高熵合金粉末，其特征在于，选用各个组分均为纯度大于等于99％的粉末，粒径为100—500目。
4.根据权利要求1或者2所述的激光熔覆用高熵合金粉末，其特征在于，选用各个组分均为纯度大于等于99％的粉末，粒径为200—300目。
5.一种利用如权利要求1所述的激光熔覆用高熵合金粉末制备熔覆层的方法，其特征在于，将激光熔覆用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，在激光熔覆用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。
6.根据权利要求5所述的制备熔覆层的方法，其特征在于，所述乙醇选用分析纯的无水乙醇。
7.根据权利要求5所述的制备熔覆层的方法，其特征在于，在激光熔覆用高熵合金粉末和乙醇混合后，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。
8.根据权利要求5所述的制备熔覆层的方法，其特征在于，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。
9.根据权利要求5所述的制备熔覆层的方法，其特征在于，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。
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