CN104141127A

CN104141127A - 高熵合金粉末及熔覆层制备方法和应用

Info

Publication number: CN104141127A
Application number: CN201310471107.XA
Authority: CN
Inventors: 罗震; 颜福裕; 谈辉; 段瑞
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2013-10-10
Filing date: 2013-10-10
Publication date: 2014-11-12
Anticipated expiration: 2033-10-10
Also published as: CN105401042A; CN104141127B; CN105401042B

Abstract

本发明公开了高熵合金粉末及熔覆层制备方法和应用，所述高熵合金粉末由Fe、Ni、Cr、Al、Cu和Mn元素粉末组成，组成表示为FeNiCrAlCuMnx，x为Mn的摩尔比且其取值范围为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即可，将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。本发明提供了一种完全由金属元素组成的高熵合金粉末，进行材料表面改性，通过激光熔覆获得了成形良好的熔覆层提高材料硬度和耐磨性。

Description

高熵合金粉末及熔覆层制备方法和应用

技术领域

本发明属于涂层技术领域，更加具体地说，涉及一种高熵合金粉末材料及熔覆层制备方法和应用。

背景技术

高熵合金是上世纪九十年代中期由我国台湾学者叶均蔚教授首先提出的一种新型合金，基于等摩尔比、高混合熵的理念设计的高熵合金具有显微结构简单化、纳米析出物、非晶结构、纳米晶粒等组织特征。多主元高熵合金，突破传统的单元素为主，多主元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、高电阻率等特性组合，因此具有很大的应用潜力。

迄今为止，高熵合金主要采用真空电弧炉熔炼和熔铸等方法制备，也有采用电化学沉积和磁控溅射制备高熵合金薄膜的方法，但这些方法所制备的薄膜厚度仅能达到微米尺度，难以发挥高熵合金力学性能方面的优势，且对基底材料有一定要求。激光熔覆由于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。因此，通过适当的合金配方设计，采用激光熔覆获得高熵合金涂层，在成本低廉的钢基体上制备高熵合金涂层，对于拓展高熵合金的实际应用具有很大的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种完全由金属元素组成的激光熔覆用高熵合金粉末及熔覆层制备方法，进行材料表面改性，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：

高熵合金粉末，由Fe、Ni、Cr、Al、Cu和Mn元素粉末组成，即合金粉末组成表示为FeNiCrAlCuMnx，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、Cu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，Cu主要用于提高熔覆层耐磨性，Mn主要用于脱氧。

（2）本发明提供了一种完全由金属元素组成的高熵合金粉末，并通过激光熔覆获得了成形良好的熔覆层。

（3）本发明提出的激光熔覆用高熵合金粉末可根据材料使用性能要求，在较大范围内进行主元合金的配制，从而改变熔覆层性能。

附图说明

图1为FeNiCrAlCu熔覆层宏观形貌。

图2为FeNiCrAlCuMn熔覆层宏观形貌。

图3为FeNiCrAlCu熔覆层全貌。

图4为FeNiCrAlCuMn熔覆层全貌。

图5为FeNiCrAlCu熔覆层金相组织。

图6为FeNiCrAlCuMn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：

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

按照下述方法进行实施：

1.按照摩尔比进行FeNiCrAlCuMnx（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。

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FeNiCrAlCuMnx（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%，Cu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，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。

采用自动转塔数显硬度计测量了熔覆层的显微硬度，实验结果下表所示，激光熔覆后硬度达到了490.8HV，比母材显著提高。

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2.0倍，与母材相比，熔覆层的耐磨性显著提高。

实施案例2

1.按照摩尔比进行FeNiCrAlCuMnx（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%，Cu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，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1mm，风干后进行激光熔覆。

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437.5HV，比母材显著提高。

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2.4倍，与母材相比，熔覆层的耐磨性显著提高。

实施案例3

1.按照摩尔比进行FeNiCrAlCuMnx（取x=0.3）高熵合金粉末配比各个金属元素：Fe，Ni，Cr，Al和Cu为等摩尔，Mn为Cu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

耐磨性

实施案例4

1.按照摩尔比进行FeNiCrAlCuMnx（取x=0.5）高熵合金粉末配比各个金属元素：Fe，Ni，Cr，Al和Cu为等摩尔，Mn为Cu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

耐磨性

实施案例5

1.按照摩尔比进行FeNiCrAlCuMnx（取x=0.7）高熵合金粉末配比各个金属元素：Fe，Ni，Cr，Al和Cu为等摩尔，Mn为Cu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

耐磨性

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

1.高熵合金粉末，其特征在于，由Fe、Ni、Cr、Al、Cu和Mn元素粉末组成，即合金粉末组成表示为FeNiCrAlCuMnx，x为Mn的摩尔比且其取值范围为0～1，所述Fe、Ni、Cr、Al、Cu之间为等摩尔比。

2.根据权利要求1所述的高熵合金粉末，其特征在于，所述Mn的摩尔比优选0.3—1，更加优选0.5—0.7。

3.根据权利要求1或者2所述的高熵合金粉末，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，优选200—300目。

4.一种利用如权利要求1所述的高熵合金粉末制备熔覆层的方法，其特征在于，将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。

5.根据权利要求4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。

6.根据权利要求4所述的制备熔覆层的方法，其特征在于，在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。

7.根据权利要求4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。

8.根据权利要求4所述的制备熔覆层的方法，其特征在于，在进行激光熔覆时，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。

9.如权利要求1所述的高熵合金粉末在激光熔覆中的应用，并提高显微硬度和耐磨性能。10.根据权利要求9所述的激光熔覆用高熵合金粉末在激光熔覆中的应用，其特征在于，选用基体材料为42CrMo钢。