CN109112530A - 一种激光熔覆用高熵合金材料及熔覆层制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光熔覆用高熵合金材料，包括Co、Cr、Al、W、Mn和Nb，其中，Co、Cr、Al、W、Mn和Nb的摩尔比是1:1:1:1:1:x，x=0.1~1.0；各组分纯度均大于等于99.9%。采用所述高熵合金材料制得的熔覆层呈现出优良耐磨、耐腐蚀等性能，且涂层组织结构优异；激光熔覆还可使涂层与基材形成一个细小的稀释区，从而形成冶金结合，使得基材与涂层间具有良好的结合作用，有助于提高涂层的耐用性。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光熔覆用高熵合金材料及熔覆层制备方法，属于激光表面改性领域。
技术背景
激光熔覆也称激光包覆或激光熔敷，是一种新的表面改性技术。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熔凝在一起的方法，在基层表面形成与其为冶金结合的熔覆层。激光产品的好坏取决于涂层的优劣，涂层的优劣取决于熔覆工艺和熔覆粉末。高熵合金粉末由于具有一些传统合金所无法比拟的优异性能，如高强度、高硬度、高耐磨耐腐蚀性、高热阻、高电阻等，成了熔覆粉末研究的热点。高熵合金又称多主元合金，是由5-13种元素构成，每种元素的摩尔比介于5%到35%间，合金的性能由多种主元共同作用来决定。通过设计适当的元素和成分可以提高合金的性能，从而应用到一些特殊的工作环境中（如航天、航空、能源等领域）。
发明内容
本发明提供一种激光熔覆用高熵合金材料，包括Co、Cr、Al、W、Mn和Nb。其中，Co、Cr、Al、W、Mn和Nb的摩尔比是1:1:1:1:1:x，x=0.1~1.0；各组分纯度均大于等于99.9%。
本发明还提供使用所述高熵合金材料制备熔覆层的方法，包括以下步骤：
（1）将各组分粉末按比例称量混合后，进行真空球磨，球磨时间大于3h，充分混合，得到合金粉末，粉末粒径为180-300目；
（2）将基体材料去除氧化皮、油渍；
（3）将步骤（1）得到的合金粉末均匀预置在步骤（2）处理后的基体表面，形成预置层，干燥后经激光熔覆即得熔覆层，激光熔覆工艺参数为：激光功率为3500-4000W，扫描速度为200-350mm/min，光斑直径为3.0mm，离焦量为15mm，保护气体采用氩气，气体流量为7-15L/min。
步骤（2）所述基体材料为45钢。
步骤（3）所述的预置层厚度为0.8~1.2mm。
步骤（3）中干燥步骤为在90℃下干燥6-10h。
本发明有益效果：
（1）本发明制得的熔覆层在兼顾耐磨性、塑性、强度等特性的同时，可以形成非常致密、坚固的氧化膜，提高合金的耐蚀性；
（2）本发明通过激光熔覆工艺得到成型良好的熔覆层，并且应用激光熔覆技术对于粉末的选择范围很宽广，在很大的范围内进行主元合金的配制，从而可以得到特定性能的熔覆层；激光熔覆还可使涂层与基材形成一个细小的稀释区，从而形成冶金结合，使得基材与涂层间具有良好的结合作用，有助于提高涂层的耐用性；
（3）本发明提供的高熵合金材料配方与45钢基体具有优异的结合性能，在形成高熵合金的前提下，所得熔覆层具有良好的宏观形貌，无裂纹、孔洞等缺陷。
附图说明
图1为实施例1~4制得的熔覆层的硬度图；
图2为实施例1~4制得的熔覆层的平均磨损量图。
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。
实施例1
本实施例的高熵合金材料包括Co、Cr、Al、W、Mn和Nb，摩尔比为1:1:1:1:1:0.25。采用分析电子称称取各种金属元素粉末，金属粉末的总质量为50g，金属粉末的质量分别为：Co7.37039g，Cr 6.49594g，Al 3.37290g，W 22.98563g，Mn 6.87071g，Nb 2.90443g。
采用上述高熵合金材料制备熔覆层的方法，包括以下步骤：
（1）将各组分粉末混合后，进行真空球磨，球磨3.5h，充分混合，得到合金粉末，粉末粒径为200-300目；
（2）基体材料选用45钢，采用机械打磨去除氧化物，采用丙酮去除油污，并采用超声波酒精清洗；
（3）将步骤（1）得到的合金粉末均匀压制在步骤（2）处理后的基体材料表面，行成预置层，预置层厚度为1mm，熔覆前放入恒温干燥箱干燥，干燥后通过激光熔覆即可获得熔覆层，激光熔覆工艺参数为：激光功率3500W，扫描速度250mm/min，光斑直径3mm，离焦量15mm，保护气体采用氩气，气体流量8L/min。
采用HVS-1000A型显微硬度仪测量熔覆层的显微硬度，沿截面方向等间距测试，间距为0.1mm。实验结果如图1所示，熔覆层的平均硬度为741.8HV0.2，较母材45钢显微硬度170HV0.2有显著提高；采用MMU-5G屏显式材料端面高温摩擦磨损试验机测定磨损性能，磨损速度为200r/min，载荷为90N，磨损时间为60min，试样尺寸为3×3mm2，用电子称测量实验前后质量（测量前后用超声波清洗仪清洗），实验结果如图2所示，磨损量为1.8mg；采用CHI-660E电化学工作站测定熔覆层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，实验结果如表1所示，抗腐蚀性能较好。
实施例2
本实施例的高熵合金材料包括Co、Cr、Al、W、Mn和Nb，摩尔比为1:1:1:1:1:0.5。采用分析电子称称取各种金属元素粉末，金属粉末的总质量为50g，金属粉末的质量分别为：Co6.96576g，Cr 6.13931g，Al 3.18772g，W 21.72373g，Mn 6.49350g，Nb 5.48996g。
采用上述高熵合金材料制备熔覆层的方法，包括以下步骤：
（1）将各组分粉末混合后，进行真空球磨，球磨4h，充分混合，得到合金粉末，粉末粒径为190~270目；
（2）基体材料选用45钢，采用机械打磨去除氧化物，采用丙酮去除油污，并采用超声波酒精清洗；
（3）将步骤（1）得到的合金粉末均匀压制在步骤（2）处理后的基体材料表面，行成预置层，预置层厚度为0.9mm，熔覆前放入恒温干燥箱干燥，干燥后通过激光熔覆即可获得熔覆层，激光熔覆工艺参数为：激光功率3800W，扫描速度270mm/min，光斑直径3mm，离焦量15mm，保护气体采用氩气，气体流量9L/min。
采用HVS-1000A型显微硬度仪测量熔覆层的显微硬度，沿截面方向等间距测试，间距为0.1mm。实验结果如图1所示，熔覆层的平均硬度为818.8HV0.2，涂层的硬度达到最高；采用MMU-5G屏显式材料端面高温摩擦磨损试验机测定磨损性能，磨损速度为200r/min，载荷为90N，磨损时间为60min，试样尺寸为3×3mm2，用电子称测量实验前后质量（测量前后用超声波清洗仪清洗），实验结果如图2所示，磨损量为1.1mg，平均磨损量最小，采用CHI-660E电化学工作站测定熔覆层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，实验结果如表1所示，抗腐蚀性能较好。
实施例3
本实施例的高熵合金材料包括Co、Cr、Al、W、Mn和Nb，摩尔比为1:1:1:1:1:0.75。采用分析电子称称取各种金属元素粉末，金属粉末的总质量为50g，金属粉末的质量分别为：Co6.60323g，Cr 5.81981g，Al 3.02182g，W 20.59317g，Mn 6.15556g，Nb 7.80637g。
采用上述高熵合金材料制备熔覆层的方法，包括以下步骤：
（1）将各组分粉末混合后，进行真空球磨，球磨4h，充分混合，得到合金粉末，粉末粒径为190-287目；
（2）基体材料选用45钢，采用机械打磨去除氧化物，采用丙酮去除油污，并采用超声波酒精清洗；
（3）将步骤（1）得到的合金粉末均匀压制在步骤（2）处理后的基体材料表面，行成预置层，预置层厚度为1.1mm，熔覆前放入恒温干燥箱干燥，干燥后通过激光熔覆即可获得熔覆层，激光熔覆工艺参数为：激光功率3900W，扫描速度300mm/min，光斑直径3mm，离焦量15mm，保护气体采用氩气，气体流量10L/min。
采用HVS-1000A型显微硬度仪测量熔覆层的显微硬度，沿截面方向等间距测试，间距为0.1mm。实验结果如图1所示，熔覆层的平均硬度为728.4HV0.2，较母材45钢显微硬度170HV0.2有显著提高。采用MMU-5G屏显式材料端面高温摩擦磨损试验机测定磨损性能，磨损速度为200r/min，载荷为90N，磨损时间为60min，试样尺寸为3×3mm2，用电子称测量实验前后质量（测量前后用超声波清洗仪清洗），实验结果如图2所示，磨损量为1.4mg；采用CHI-660E电化学工作站测定熔覆层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，实验结果如表1所示，抗腐蚀性能较高。
实施例4
本实施例的高熵合金材料包括Co、Cr、Al、W、Mn和Nb，摩尔比为1:1:1:1:1:1。采用分析电子称称取各种金属元素粉末，金属粉末的总质量为50g，金属粉末的质量分别为：Co6.27659g，Cr 5.53191g，Al 2.87234g，W 19.57446g，Mn 5.85106g，Nb 9.89361g。
采用上述高熵合金材料制备熔覆层的方法，包括以下步骤：
（1）将各组分粉末混合后，进行真空球磨，球磨4h，充分混合，得到合金粉末，粉末粒径为184-270目；
（2）基体材料选用45钢，采用机械打磨去除氧化物，采用丙酮去除油污，并采用超声波酒精清洗；
（3）将步骤（1）得到的合金粉末均匀压制在步骤（2）处理后的基体材料表面，行成预置层，预置层厚度为1.2mm，熔覆前放入恒温干燥箱干燥，干燥后通过激光熔覆即可获得熔覆层，激光熔覆工艺参数为：激光功率4000W，扫描速度350mm/min，光斑直径3mm，离焦量15mm，保护气体采用氩气，气体流量13L/min。
采用HVS-1000A型显微硬度仪测量熔覆层的显微硬度，沿截面方向等间距测试，间距为0.1mm。实验结果如图1所示，熔覆层的平均硬度为567.7HV0.2，较母材45钢显微硬度170HV0.2有显著提高。采用MMU-5G屏显式材料端面高温摩擦磨损试验机测定磨损性能，磨损速度为200r/min，载荷为90N，磨损时间为60min，试样尺寸为3×3mm2，用电子称测量实验前后质量（测量前后用超声波清洗仪清洗），实验结果如图2所示，磨损量为2.2mg；采用CHI-660E电化学工作站测定熔覆层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，实验结果如表1所示，抗腐蚀性能达到最高。
表1 实施例1~4测得的腐蚀电位与腐蚀电流值
Claims (10)
1.一种激光熔覆用高熵合金材料，包括Co、Cr、Al、W、Mn和Nb。
2.根据权利要求1所述的激光熔覆用高熵合金材料，其特征在于，Co、Cr、Al 、W、Mn和Nb的摩尔比是1:1:1:1:1:x，其中 x=0.1～1。
3.根据权利要求1所述的激光熔覆用高熵合金材料，其特征在于，各组分纯度均大于等于99.9%。
4.采用权利要求1-3任意一项所述激光熔覆用高熵合金材料制备熔覆层的方法，包括以下步骤：
（1）将各组分粉末按比例称量混合后，进行真空球磨，充分混合，得到合金粉末；
（2）将步骤（1）得到的合金粉末均匀预置在经过除油除锈处理过的基体材料表面，形成预置层，干燥后经激光熔覆即得熔覆层。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤（1）中球磨时间大于3h。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤（1）中合金粉末粒径为180-300目。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤（2）中激光熔覆工艺参数为：激光功率为3500-4000W，扫描速度为200-350mm/min，光斑直径为3.0mm，离焦量为15mm，保护气体采用氩气，气体流量为7-15L/min。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤（2）所述基体材料为45钢。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤（2）中干燥步骤为在90℃下干燥6-10h。
10.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤（2）所述预置层的厚度为0.8-1.2mm。
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