CN109439995A - 高熵非晶合金涂层及其制备方法 - Google Patents

高熵非晶合金涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高熵非晶合金涂层及其制备方法，该高熵非晶合金粉末各组分及其质量百分比如下：镍28～32%、钴28～32%、硅2～6%、硼2～6%、余量为铁。制备方法包括：基体前处理；合金粉末配制；将合金粉末平铺于前处理后的基体上，采用半导体宽带激光器进行激光熔覆，制得高熵非晶合金涂层；半导体宽带激光器的激光聚焦光斑尺寸为14mm×1.5mm。本发明的高熵非晶合金涂层表面光洁平滑无裂纹，内部均匀致密且无明显孔洞缺陷；涂层显微维氏硬度在400HV0.1以上，最高可达729.5HV0.1，平均可达582.9HV0.1；涂层相结构为简单的FCC相和BCC相，非晶含量最高可达64.3%。

Description

高熵非晶合金涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于非晶涂层技术领域，具体涉及一种高熵非晶合金涂层及其制备方法。
背景技术
随着大功率激光器的迅速发展，以激光作为热源的激光加工技术愈加成熟，并广泛应用于材料加工中的各个领域。这其中，激光熔覆技术能够将在基材表面添加的熔覆材料迅速熔化为熔池，并快速凝固得到与基体具有冶金结合的高性能熔覆层，已逐渐成为一项绿色、高效、具有巨大潜在经济效益和社会效益的智能制造/再制造关键技术。
目前研究较为深入的激光熔覆材料主要有镍基合金、钴基合金、铁基合金、陶瓷及复合材料等，其中又以较为廉价的铁基材料应用最为广泛。自1995 年叶均蔚教授率先提出多主元高熵合金概念以来，科研工作者们也开始将高熵合金应用到激光熔覆。创新型制造业的不断发展，使得机械智能化和生产自动化得以推广、流行和普及，高端产品的生产对机械设备与零件的性能要求也逐渐提高，而严苛的工况环境大大增加了零部件发生严重磨损、腐蚀、断裂等失效行为的可能性，因此在现有合金材料的基础上挖掘性能更为优异的新材料成为了众多科研工作者的研究热点。
目前，对激光熔覆非晶合金涂层材料的研究工作大多限于工艺参数和性能表征方面的探索，且实际推广应用进程迟缓，其原因在于，高非晶含量的产生需要极高的凝固冷却速率，但骤冷产生的高残余应力以及与基体的热膨胀系数差异等原因易导致熔覆层开裂，“高非晶含量-无裂纹”这两个相对性能间的矛盾始终无法得到有效解决。为解决裂纹问题，目前多采用提高热输入、添加纳米硬质强化相、预热基板等方法，但这些方法均不利于非晶相的产生及其含量的提高，而且还带来了高耗能、高成本、工艺复杂、过程繁琐、制备效率低等不同缺点。
中国专利文献CN103668177A公开了一种碳钢表面激光熔覆非晶合金涂层的方法，该熔覆层致密性好，少量气孔，无裂纹缺陷，非晶含量为55%，显微硬度可达800HV以上。然而该合金粉末为锆基合金粉末，生产成本较高，不适合工业化大生产。
中国专利文献CN108359977A公开了一种激光熔覆用高熵合金粉末，该高熵合金粉末包括摩尔比为1∶1∶1∶1∶1∶0.2～0.4的Fe、Co、V、W、Nb、Sc。该熔覆层在兼顾耐蚀性、塑性、强度等特性的同时，降低高温脆性，具有良好的宏观形貌，无裂纹、孔洞等缺陷。然而该高熵合金粉末不仅含有稀土金属Sc，还含有昂贵的Nb金属，生产成本同样较高，同样不适合工业化大生产。
另外，目前现有文献公开的激光熔覆用激光器几乎都是小光斑激光器，也是通常为实验室用窄带激光器，这些激光器通常在较大的扫描速率下能够实现非晶涂层的制备，然而，工业应用中采用的均是光斑较大的宽带激光器。
尚未发现采用宽带激光器制备非晶涂层的文献报道，进一步表明在工业化制备高非晶含量、高硬度、无裂纹的非晶涂层还是一项空白。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题，提供一种不仅同时具备高非晶含量、高硬度、无裂纹的特点，而且生产成本较低、适合工业化大生产的高熵非晶合金涂层及其制备方法。
实现本发明目的的技术方案是：一种高熵非晶合金涂层的制备方法，包括：
S1：基体前处理；
S2：合金粉末配制；
S3：将步骤S2配制的合金粉末平铺于步骤S1前处理后的基体上，采用半导体宽带激光器进行激光熔覆，制得高熵非晶合金涂层。
上述步骤S1中所述基体前处理具体如下：选用45号钢作为基体；砂纸打磨，去除基体表面氧化物；无水乙醇超声清洗，去除基体表面磨屑和油污。
上述步骤S2中所述合金粉末配制具体如下：将含铁量为99.9wt%的纯铁雾化粉末、含镍量为99.9wt%的纯镍雾化粉末、含钴量为99.9wt%的纯钴雾化粉末、含硅量为75wt%的硅铁原始粉末以及含硼量为20wt%的硼铁原始粉末按照下述质量百分比混合均匀得到合金粉末：镍28～32%、钴28～32%、硅2～6%、硼2～6%、余量为铁。
上述步骤S2中所述合金粉末的粒度为100目～250目。
上述步骤S2中所述混合是在混粉机中进行的，混粉机的平面转速为150～450r/min，优选为300r/min；混粉机的旋转转速为5～15r/min，优选为10r/min；混粉时间为600～1200min，优选为900min。
上述步骤S3中所述激光熔覆包括激光熔覆和激光重熔两部分。
所述激光熔覆具体工艺参数如下：激光聚焦光斑尺寸为14mm×1.5mm；激光扫描速率为3～10mm/s，优选为5mm/s；激光功率为1.5～3.0kW，优选为2.5kW；保护氩气流速为10～25L/min，优选为15L/min。
所述激光重熔具体工艺参数如下：激光聚焦光斑尺寸为14mm×1.5mm；激光扫描速率为5～20mm/s，优选为10mm/s；激光功率为1.0～2.5kW，优选为1.5kW；保护氩气流速为10～25L/min，优选为20L/min。
上述制备方法制得的高熵非晶合金涂层。
本发明具有的积极效果：
（1）本发明的合金粉末配方中不含稀土金属以及其它价格昂贵的成分，而且能够通过工业化使用的半导体宽带激光器制得完全无裂纹、高非晶含量、高硬度等综合性能优异的高熵非晶合金涂层，解决了现有工业化的一项空白。
（2）本发明的高熵非晶合金涂层无需预先通过球磨化处理获得一定的合金化，而是在使用前通过混粉机进行原位制备，这极大地简化了激光熔覆非晶涂层的制备工艺流程，大大降低了涂层的材料成本和制备成本。
（3）本发明的高熵非晶合金涂层表面光洁平滑无裂纹，内部均匀致密且无明显孔洞缺陷；涂层显微维氏硬度在400HV0.1以上，最高可达729.5HV0.1，平均可达582.9HV0.1；涂层相结构为简单的FCC相和BCC相，非晶含量最高可达64.3%。
附图说明
图1为实施例1中的五种原始粉末以及混合后得到的合金粉末的外观示意图；其中，a图为合金粉末，b图为硼铁原始粉末，c图为硅铁原始粉末，d图为纯钴雾化粉末，e图为纯镍雾化粉末，f图为纯铁雾化粉末。
图2为实施例1制得的高熵非晶合金涂层的原始表观形貌和着色探伤后表观形貌；其中，a图为原始表观形貌，b图为着色探伤后表观形貌。
图3为实施例1制得的高熵非晶合金涂层的XRD图谱。
图4为实施例1制得的高熵非晶合金涂层的显微维氏硬度测试结果图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
若未特别说明，本申请文件对于材料成分描述中的“%”为质量百分比。若未特别说明，本发明中所使用的其他物料、原料均为可以从市场上购买得到的常规原料。所使用的设备也为本领域的常规设备。本发明中未提及的操作均为本领域的常规操作。
（实施例1）
本实施例的高熵非晶合金涂层的制备方法具体如下：
S1：基体前处理。
选用尺寸为140mm×100mm×8mm的45号钢作为基体；砂纸打磨，去除基体表面氧化物；无水乙醇超声清洗，去除基体表面磨屑和油污。
S2：合金粉末配制。
本实施例的合金粉末各组分及其质量百分比如下：镍30%、钴30%、硅4%、硼4%、余量为铁。
将含铁量为99.9wt%的纯铁雾化粉末【外观示意图参见图1中的f图】、含镍量为99.9wt%的纯镍雾化粉末【外观示意图参见图1中的e图】、含钴量为99.9wt%的纯钴雾化粉末【外观示意图参见图1中的d图】、含硅量为75wt%的硅铁原始粉末【外观示意图参见图1中的c图】以及含硼量为20wt%的硼铁原始粉末【外观示意图参见图1中的b图】按照上述质量百分比置于混粉机中混合900min，混粉机的平面转速为300r/min，混粉机的旋转转速为10r/min，混合完成后低温真空干燥3h，得到粒度为100目～250目的合金粉末【外观示意图参见图1中的a图】。
由图1可以看出，混合后得到的合金粉末较为均匀，无明显团簇现象。
S3：将步骤S2配制的合金粉末平铺于步骤S1前处理后的基体上，采用半导体宽带激光器【型号为：Delias 3kW】进行激光熔覆，制得高熵非晶合金涂层。
激光熔覆包括激光熔覆和激光重熔两部分。
激光熔覆具体工艺参数如下：激光聚焦光斑尺寸为14mm×1.5mm；激光扫描速率为5mm/s；激光功率为2.5kW；保护氩气流速为15L/min。
激光重熔具体工艺参数如下：激光聚焦光斑尺寸为14mm×1.5mm；激光扫描速率为10mm/s；激光功率为1.5kW；保护氩气流速为20L/min。
本实施例预置粉末厚度为0.8mm，也即高熵非晶合金涂层的厚度为0.8mm。
本实施例制得的高熵非晶合金涂层的原始表观形貌和着色探伤后表观形貌分别见图2中的a图和b图。
由图2可以看出，本发明的高熵非晶合金涂层表面光洁平滑、均匀有光泽，具有优异的均匀性和表面光洁度。
而从着色探伤效果可以看出，该高熵非晶合金涂层无明显孔洞或凹坑，完全不存在裂纹，韧性较好，表面性能优异。
（测试例1）
测试实施例1制得的高熵非晶合金涂层的X射线衍射（XRD）图谱，结果见图3。
由图3可以看出，本发明的高熵非晶合金涂层由峰强度较高的fcc固溶体相和峰强度较低的bcc结构的Fe-B化合物相构成，在2θ=42°～46°之间存在较为宽化的衍射峰，这是非晶相存在的典型特征。涂层中各相的峰强度均较低，代表着微观组织具有细小的晶粒尺寸，这也有利于提高涂层的强度和韧性。
利用JADE软件进行模拟，该高熵非晶合金涂层的非晶含量高达64.3%。
（测试例2）
测试实施例1制得的高熵非晶合金涂层的显微维氏硬度，结果见图4。
由图4可以看出，本发明的高熵非晶合金涂层分为明显的重熔层、熔覆层以及基体三个区域，重熔层的显微维氏硬度相对较高，熔覆层次之。
熔覆层的最大显微维氏硬度出现在重熔层当中，经测量为729.5HV0.1，平均维氏硬度为582.9HV0.1，熔覆层的硬度值均高于400HV0.1。

Claims (8)

1.一种高熵非晶合金涂层的制备方法，包括：
S1：基体前处理；
S2：合金粉末配制；所述合金粉末各组分及其质量百分比如下：镍28～32%、钴28～32%、硅2～6%、硼2～6%、余量为铁；
S3：将步骤S2配制的合金粉末平铺于步骤S1前处理后的基体上，采用半导体宽带激光器进行激光熔覆，制得高熵非晶合金涂层；
所述半导体宽带激光器的激光聚焦光斑尺寸为14mm×1.5mm。
2.根据权利要求1所述的高熵非晶合金涂层的制备方法，其特征在于：上述步骤S1中所述基体前处理具体如下：选用45号钢作为基体；砂纸打磨，去除基体表面氧化物；无水乙醇超声清洗，去除基体表面磨屑和油污。
3.根据权利要求1所述的高熵非晶合金涂层的制备方法，其特征在于：上述步骤S2中所述合金粉末的粒度为100目～250目。
4.根据权利要求1所述的高熵非晶合金涂层的制备方法，其特征在于：上述步骤S2中所述混合是在混粉机中进行的，混粉机的平面转速为150～450r/min，混粉机的旋转转速为5～15r/min，混粉时间为600～1200min。
5.根据权利要求1所述的高熵非晶合金涂层的制备方法，其特征在于：上述步骤S3中所述激光熔覆包括激光熔覆和激光重熔两部分。
6.根据权利要求5所述的高熵非晶合金涂层的制备方法，其特征在于：所述激光熔覆具体工艺参数如下：激光聚焦光斑尺寸为14mm×1.5mm；激光扫描速率为3～10mm/s；激光功率为1.5～3.0kW；保护氩气流速为10～25L/min。
7.根据权利要求5所述的高熵非晶合金涂层的制备方法，其特征在于：所述激光重熔具体工艺参数如下：激光聚焦光斑尺寸为14mm×1.5mm；激光扫描速率为5～20mm/s；激光功率为1.0～2.5kW；保护氩气流速为10～25L/min。
8.一种由权利要求1至7任一方法制得的高熵非晶合金涂层。
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