CN107699770B - 一种高熵合金材料及其制备方法 - Google Patents

一种高熵合金材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高熵合金材料及其制备方法，属于激光表面改性领域。本发明所述高熵合金材料的各组分及其原子百分比为10%‑20%的Cu、15%‑20%的Ni、13%‑20%的Mn、15%‑18%的Co、13%‑19%的Nb、15%‑21%的Hf，所有组分的总和为100%。制备方法为按照配比计算，准确称量各个组分的质量后应用球磨技术将其进行充分混匀，均匀的压制在基体材料表面，干燥后通过激光熔敷加工即可获得熔覆层，其中基体材料为铝合金7075；本发明激光熔覆得到的涂层具有良好的宏观形貌，具有高硬度、高耐摩擦磨损性能、高耐高温氧化性能且于基材结合强度高等特点，高熵合金有许多优于传统合金的特性，具有较大的研究及应用前景。

Description

一种高熵合金材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及激光表面改性领域，特别涉及一种高熵合金材料及其制备方法。
背景技术
传统合金体系通常是以一个元素为主元，主要元素含量通常占到50 at%以上，再添加少量其它元素来改变结构和性能，但是由于固溶度的原因导致添加元素的量有限。为了突破这个局限，中国台湾学者叶均蔚在1995年打破了传统观念，基于大块非晶合金的研究率先提出了高熵合金设计概念。高熵合金主元数n≥5，且每种元素的含量在5-35 at%。这种合金凝固后由于高熵效应主要形成简单的固溶相，而不是复杂的脆性相。这是因为高的混合熵加强了合金元素间的互溶，从而抑制了金属间化合物的形成。
在目前的高熵合金中研究最为广泛的是AlxCoCrCuFeNi体系，在研究中发现随着铝含量的变化合金由简单的面心立方结构的固溶体完全转变为体心立方结构，同时也会出现Cu元素的偏析。因此寻找新的合金设计，获得性能较好的高熵合金熔敷层，对于发展高熵合金在实际应用方面具有巨大的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高熵合金材料，所述合金材料中各组分及其原子百分比为10%-20%的Cu、15%-20%的Ni、13%-20%的Mn、15%-18%的Co、13%-19%的Nb、15%-21%的Hf，，所有组分的质量百分比之和为100%，各个组分纯度均大于等于99.9%。
本发明的另一目的在于提供所述高熵合金材料的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）将基材打磨去除氧化层，然后用酒精清洗干净；
（2）将各个称量好的粉末，进行真空球磨，球磨时间不低于2.5小时，充分混合，得到合金粉末，粉末粒径为150-300目；
（3）将步骤（2）得到的合金粉末材料均匀压制在步骤（1）处理后的基体材料表面，形成预制层，预制粉末厚度为0.7-1.5mm，干燥后通过激光熔覆即可获得熔敷层，进行激光熔覆时的工艺参数为：激光功率3000-4000W，扫描速度300-450mm/min，光斑直径3-5mm、离焦量20mm、保护气体采用氩气，气体流量8-12L/min。
本发明步骤（1）中所述基体材料为铝合金7075。
本发明有益效果：
（1）激光熔覆得到的高熵合金熔敷层，组织结构均匀稳定，具有良好的高温稳定性，并且获得的熔敷层具有高硬度、高耐摩擦磨损性能、高耐高温氧化性能，因此，该高熵合金在高温部件上都具有良好的前景。
（2）本发明通过激光熔覆工艺得到成型良好的熔敷层。且可用于激光熔覆技术的粉末选择范围宽，元素配比范围大，可得到特定性能的熔敷层。
（3）本发明提供的粉末配方与铝合金基体具有优异的结合性能，在形成高熵合金的前提下，所得熔敷层具有良好的宏观形貌，无裂纹、孔洞等缺陷。
（4）Hf元素的加入不仅避免了Cu和Al元素同时存在于同一高熵合金体系时Cu元素的偏析，而且能进一步提高合金体系的耐蚀及高温抗氧化性。
附图说明
图1为本发明熔敷层试样横断面；
图2为本发明实施例1熔敷层金相组织；
图3为本发明实施例2熔敷层金相组织；
图4为本发明实施例3熔敷层金相组织；
图5为本发明实施例4熔敷层金相组织。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
本发明的实施例中基体材料铝合金7075的化学成分如下表所示：
各种金属粉末来源与药品包装信息如下表所示：
。
实施例1
本实施例激光熔覆高熵合金材料由Ti、Al、Cu、Ni、Mn、Co、Nb和Hf六种金属元素粉末组成，各组分的原子百分比为17%的Cu、16%的Ni、15%的Mn、16%的Co、17%的Nb、19%的Hf。
本实施例所述高熵合金材料熔敷层的制备方法，包括以下步骤：
（1）将基材用600目砂纸打磨去除氧化皮，然后用酒精清洗干净；
（2）将各个称量好的粉末，进行真空球磨，球磨时间2.5小时，充分混合，得到合金粉末，粉末粒径为180-250目；
（3）将步骤（2）得到的合金粉末材料均匀压制在步骤（1）处理后的基体材料表面，形成预制层，预制粉末厚度为1.0mm，干燥后通过激光熔覆即可获得熔敷层，进行激光熔覆时的工艺参数为：激光功率3500W，扫描速度450mm/min，光斑直径5mm、离焦量20mm、保护气体采用氩气，气体流量8L/min。
本实施例激光熔敷后的熔敷层采用王水进行腐蚀，获得了熔敷层金相照片，如图2所示，可知熔敷层结构致密；采用HVS-1000A型显微硬度仪测量熔敷层的显微硬度，其中熔敷层与母材分别不同位置测量五个值，并去除最大与最小值之后取平均值，实验结果所示，激光熔敷后平均硬度达到1000HV，较母材得到显著提高，具体如下表所示。
采用CHI-660E电化学工作站测定高熵合金熔覆层在3.5%NaCl电解液中的动电位极化曲线，并利用阴极Tafel曲线外插与腐蚀电位相交得到腐蚀电位与腐蚀电流值，实验结果显示，抗腐蚀性能较好，但略低于304不锈钢；900℃循环氧化条件下，高熵合金熔敷层能够显著提高基材的抗氧化性能，抗氧化性能提升8.4倍，相对基材表面破碎剥落、疏松多孔的氧化层，在基材表面形成了保护作用较好的连续致密氧化层。
实施例2
本实施例激光熔覆高熵合金材料由Ti、Al、Cu、Ni、Mn、Co、Nb和Hf六种金属元素粉末组成，各组分的原子百分比为18%的Cu、15%的Ni、16%的Mn、17%的Co、19%的Nb、15%的Hf。
本实施例所述高熵合金材料熔敷层的制备方法，包括以下步骤：
（1）将基材用600目砂纸打磨去除氧化皮，然后用酒精清洗干净；
（2）将各个称量好的粉末，进行真空球磨，球磨时间3小时，充分混合，得到合金粉末，粉末粒径为200-300目；
（3）将步骤（2）得到的合金粉末材料均匀压制在步骤（1）处理后的基体材料表面，形成预制层，预制粉末厚度为0.9mm，干燥后通过激光熔覆即可获得熔敷层，进行激光熔覆时的工艺参数为：激光功率4000W，扫描速度400mm/min，光斑直径4mm、离焦量20mm、保护气体采用氩气，气体流量10L/min。
本实施例激光熔敷后的熔敷层采用王水进行腐蚀，获得了熔敷层金相照片，如图3所示，可知熔敷层结构致密；采用HVS-1000A型显微硬度仪测量熔敷层的显微硬度，其中熔敷层与母材分别不同位置测量五个值，并去除最大与最小值之后取平均值，实验结果所示，激光熔敷后平均硬度达到996HV，较母材得到较大提高，具体如下表所示。
采用CHI-660E电化学工作站测定高熵合金熔覆层在3.5%NaCl电解液中的动电位极化曲线，并利用阴极Tafel曲线外插与腐蚀电位相交得到腐蚀电位与腐蚀电流值，实验结果显示，抗腐蚀性能较好，但略低于304不锈钢；900℃循环氧化条件下，高熵合金熔敷层能够显著提高基材的抗氧化性能，抗氧化性能提升7.3倍，相对基材表面破碎剥落、疏松多孔的氧化层，在基材表面形成了保护作用较好的连续致密氧化层。
实施例3
本实施例激光熔覆高熵合金材料由Ti、Al、Cu、Ni、Mn、Co、Nb和Hf六种金属元素粉末组成，各组分的原子百分比为20%的Cu、18%的Ni、13%的Mn、15%的Co、13%的Nb、21%的Hf。
本实施例所述高熵合金材料熔敷层的制备方法，包括以下步骤：
（1）将基材用600目砂纸打磨去除氧化皮，然后用酒精清洗干净；
（2）将各个称量好的粉末，进行真空球磨，球磨时间3.5小时，充分混合，得到合金粉末，粉末粒径为180-280目；
（3）将步骤（2）得到的合金粉末材料均匀压制在步骤（1）处理后的基体材料表面，形成预制层，预制粉末厚度为1.1mm，干燥后通过激光熔覆即可获得熔敷层，进行激光熔覆时的工艺参数为：激光功率3000W，扫描速度350mm/min，光斑直径3mm、离焦量20mm、保护气体采用氩气，气体流量12L/min。
本实施例采用激光熔敷后的熔敷层采用王水进行腐蚀，获得了熔敷层金相照片，如图4所示，可知熔敷层结构致密；采用HVS-1000A型显微硬度仪测量熔敷层的显微硬度，其中熔敷层与母材分别不同位置测量五个值，并去除最大与最小值之后取平均值，实验结果所示，激光熔敷后平均硬度达到1028HV，较母材得到明显提高，具体如下表所示。
采用CHI-660E电化学工作站测定高熵合金熔覆层在3.5%NaCl电解液中的动电位极化曲线，并利用阴极Tafel曲线外插与腐蚀电位相交得到腐蚀电位与腐蚀电流值，实验结果显示，抗腐蚀性能较好，但略低于304不锈钢；900℃循环氧化条件下，高熵合金熔敷层能够显著提高基材的抗氧化性能，抗氧化性能提升15.7倍，相对基材表面破碎剥落、疏松多孔的氧化层，在基材表面形成了保护作用较好的连续致密氧化层。
实施例4
本实施例激光熔覆高熵合金材料由Ti、Al、Cu、Ni、Mn、Co、Nb和Hf六种金属元素粉末组成，各组分的原子百分比为10%的Cu、18%的Ni、18%的Mn、16%的Co、18%的Nb、20%的Hf。
本实施例所述高熵合金材料熔敷层的制备方法，包括以下步骤：
（1）将基材用600目砂纸打磨去除氧化皮，然后用酒精清洗干净；
（2）将各个称量好的粉末，进行真空球磨，球磨时间4小时，充分混合，得到合金粉末，粉末粒径为250-300目；
（3）将步骤（2）得到的合金粉末材料均匀压制在步骤（1）处理后的基体材料表面，形成预制层，预制粉末厚度为0.7mm，干燥后通过激光熔覆即可获得熔敷层，进行激光熔覆时的工艺参数为：激光功率3500W，扫描速度300mm/min，光斑直径3mm、离焦量20mm、保护气体采用氩气，气体流量9L/min。
本实施例采用激光熔敷后的熔敷层采用王水进行腐蚀，获得了熔敷层金相照片，如图5所示，可知熔敷层结构致密；采用HVS-1000A型显微硬度仪测量熔敷层的显微硬度，其中熔敷层与母材分别不同位置测量五个值，并去除最大与最小值之后取平均值，实验结果所示，激光熔敷后平均的显微硬度达到988HV，较母材得到较大提高，具体如下表所示。
采用CHI-660E电化学工作站测定高熵合金熔覆层在3.5%NaCl电解液中的动电位极化曲线，并利用阴极Tafel曲线外插与腐蚀电位相交得到腐蚀电位与腐蚀电流值，实验结果显示，抗腐蚀性能较好，但略低于304不锈钢；900℃循环氧化条件下，高熵合金熔敷层能够显著提高基材的抗氧化性能，抗氧化性能提升10.2倍，相对基材表面破碎剥落、疏松多孔的氧化层，在基材表面形成了保护作用较好的连续致密氧化层。
实施例1-4以及7075经过900℃循环氧化24小时所测得的氧化增重数据值如下表所示：
。

Claims (3)

1.一种高熵合金材料，其特征在于：各组分及其原子百分比为10%-20%的Cu、15%-20%的Ni、13%-20%的Mn、15%-18%的Co、13%-19%的Nb、15%-21%的Hf，所有组分的质量百分比之和为100%；
所述高熵合金材料的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）将基材打磨去除氧化层，然后用酒精清洗干净；
（2）将各个称量好的粉末，进行真空球磨，球磨时间不低于2.5小时，充分混合，得到合金粉末，粉末粒径为150-300目；
（3）将步骤（2）得到的合金粉末材料均匀压制在步骤（1）处理后的基体材料表面，形成预制层，预制粉末厚度为0.7-1.5mm，干燥后通过激光熔覆即可获得熔敷层，进行激光熔覆时的工艺参数为：激光功率3000-4000W，扫描速度300-450mm/min，光斑直径3-5mm、离焦量20mm、保护气体采用氩气，气体流量8-12L/min。
2.根据权利要求1所述高熵合金材料，其特征在于：各个组分纯度均大于等于99.9%。
3.根据权利要求1所述高熵合金材料，其特征在于，步骤（1）中基体材料为铝合金7075。
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