CN109972019B

CN109972019B - 一种用于增材制造的中熵合金材料及应用方法

Info

Publication number: CN109972019B
Application number: CN201910359082.1A
Authority: CN
Inventors: 冯凯; 李铸国; 王志远; 韩帛伦
Original assignee: East China University of Science and Technology; Shanghai Jiaotong University
Current assignee: East China University of Science and Technology; Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2019-04-30
Filing date: 2019-04-30
Publication date: 2021-10-22
Anticipated expiration: 2039-04-30
Also published as: CN109972019A

Abstract

本发明公开了一种用于增材制造的中熵合金材料及应用方法，涉及增材制造领域，其特点在于材料组分包括Cr、Co、Ni，原子百分比构成分别为20％～50％。其应用方法为选择大小合适的金属基板，采用热源融化各组分，在机器人控制电脑中输入工件的3D模型的扫描路径文件，以给定路径进行扫描，待全部扫描完成、冷却后使用线切割令工件与基板分离，清洗、打磨、抛光工件。本发明利用中熵合金中强力的固溶强化效应，能得到强度高、强韧匹配好的打印态工件，同时利用“扩散阻滞”效应，延缓甚至阻止基板材料的扩散，防止了各种脆性中间相的形成；同时涉及的元素较少、配制简单，易于实现工业化生产，具有成本低、环境友好等优点。

Description

一种用于增材制造的中熵合金材料及应用方法

技术领域

本发明属于增材制造领域，涉及一种用于增材制造的中熵合金材料及应用方法。

背景技术

高熵合金(High Entropy Alloy，HEA)是多主元合金的一个分支，意为五种或以上元素组成的单相合金。在高熵合金中，多种原子半径各异，带来极大的晶格畸变导致原子的扩散极为困难，此所谓“扩散阻滞”效应。同时，高熵合金中含有的多种原子形成单相固溶体，具有极强的固溶强化效应。因此，用高熵合金制成的材料即便无需加工也能达到很高的强度。此外，高熵合金中还有“高熵效应”、“鸡尾酒效应”、“晶格畸变效应”多种核心效应，决定了高熵合金相对于传统金属材料的巨大差别。

中熵合金则是近些年来在高熵合金基础上发展出的又一类新概念，意为主元素为三元的单相合金。中熵合金中同样有着“扩散阻滞”及固溶强化效应，且强韧性匹配一般较高熵合金更优。目前，国内专家对此做过大量研究，中国专利CN108866417A中利用在中熵合金CoCrNi体系中加入Mn元素来提高抗拉强度和延伸率。中国专利CN108998714A中利用真空熔炼FCC单相CoCrNi母合金-真空熔炼BBC单相AlTiNi中间合金，母合金和中间合金重熔吸铸-均匀化退火-时效处理-固溶处理获得FCC+BCC双相中熵合金。以上两种合金均以CrCoNi中熵合金为基体，通过添加其他元素或相以获得更高的强度、耐蚀性等。但若将此类中熵合金用于增材制造，人为引入其它相则会导致更多脆性中间相的产生，在增材制造产生的大过冷度下难以保持原有结构，甚至会削弱机械性能。

使用高熵合金进行增材制造也是近年来国内研究热点之一。中国专利CN107900335A公布了一种CrMnFeCoNiAlTi体系高熵合金的激光增材应用方法；CN105525232A公布了一种CuMnTiMoCrFe体系高熵合金非晶粉末的增材应用方法；CN107130124A公布了一种AlCoCuFeNi体系高熵合金的增材应用方法。以上增材应用方法利用高熵合金的固溶强化效应及增材制造中大过冷度下高密度的树枝晶带来的细晶强化效应，能得到强度很高的打印态工件。但相较中熵合金，高熵合金的强韧匹配往往较差，且在低温下的机械性能一般弱于中熵合金。此外，参与元素过多导致的工艺复杂，生产难以实现工业化也是其面对的挑战之一。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种用于增材制造的中熵合金材料。

本发明将增材制造领域的需求同中熵合金的特点结合，提供了一种用于增材制造的CrCoNi中熵合金及使用方法。利用中熵合金中强力的固溶强化效应，能得到强度高、强韧匹配好的打印态工件，同时利用“扩散阻滞”效应，延缓甚至阻止增材制造过程中基板材料的扩散，防止了各种脆性中间相的形成，无需切除过渡区，极大提升了工件整体性能和材料利用率。且由于涉及的元素较少，配制简单，易于实现工业化生产；同时具有成本低、环境友好等优点。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是中熵合金人为引入其它相导致用于增材制造更多脆性中间相的产生，在增材制造产生的大过冷度下难以保持原有结构，甚至会削弱机械性能；高熵合金的强韧匹配往往较差，且在低温下的机械性能一般弱于中熵合金，而且参与元素过多导致的工艺复杂，生产难以实现工业化。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于增材制造的中熵合金，其特点在于，组分包括Cr、Co、Ni。

进一步地，所述Cr、Co、Ni的原子百分比构成分别为20％～50％，所述原子百分比总和为100％。

进一步地，所述中熵合金的型态为粉末状或丝状中的任意一种。

进一步地，所述粉末状中熵合金的粒径为0～250μm。

进一步地，所述丝状中熵合金的直径为0.1～5mm。

进一步地，一种所述的用于增材制造的中熵合金的应用方法，包括以下步骤：

步骤1，选择大小合适的金属基板，清理至洁净、无油污、灰尘、锈迹；

步骤2，采用工业机器人搭载热源，并联送料系统，将所述中熵合金烘干、过筛后填入所述送料系统；

步骤3，在软件中建立欲打印工件的3D模型，转化成机器人扫描路径文件，输入机器人控制电脑中；

步骤4，以给定路径进行扫描，同时通过所述送料系统将新的所述中熵合金送入；

步骤5，待全部扫描完成、冷却后使用线切割令工件与基板分离；

步骤6，清洗、打磨、抛光工件。

进一步地，步骤2所述热源在所述粉末状中熵合金的增材制造中采用激光器，所述送料系统为选区激光熔覆送粉系统，所述选区激光熔覆送粉系统中设置有刮刀，用于将第一层所述粉末状中熵合金平铺在步骤1所述金属基板上。

进一步地，所述激光器的扫描速度为700～1500mm/s，扫描间距为0.02～5.0mm，功率为140～5000W，激光光斑直径为0.03～3mm，层厚为0.03～1mm。

进一步地，步骤2所述热源在丝状中熵合金的增材制造中采用弧焊电源，所述送料系统为电弧熔丝焊接送丝系统。

进一步地，所述弧焊电源的平均电压为30～60V，电流为120～400A，扫描速度为20～40mm/s，扫描间距为0.05～3mm。

本发明有如下技术效果：

(1)将增材制造领域的需求同中熵合金的特点结合，提供了一种用于增材制造的CrCoNi中熵合金及使用方法。利用中熵合金中强力的固溶强化效应，能得到强度高、强韧匹配好的打印态工件，同时利用“扩散阻滞”效应，延缓甚至阻止增材制造过程中基板材料的扩散，防止了各种脆性中间相的形成，无需切除过渡区，极大提升了工件整体性能和材料利用率；

(2)涉及的元素较少，配制简单，易于实现工业化生产，同时具有成本低、环境友好等优点。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明CrCoNi中熵合金样品的XRD衍射图谱。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

实施例1

采用粒径在0～25μm的粉末态中熵合金，药粉配方为Cr50％，Co30％，Ni20％，进行增材制造，步骤如下：

步骤1)选择115mm×115mm的不锈钢基板，清理至洁净、无油污、灰尘、锈迹等；

步骤2)采用工业机器人搭载激光器，并联选区选区激光熔覆送粉系统。将粉末烘干、过筛后填入铺粉系统，同时铺粉系统中的刮刀将第一层粉末平铺在基板上；

步骤3)在软件中建立欲打印的，边长为20mm的正方体阵列的3D模型，转化成机器人扫描路径文件，输入机器人控制电脑中；

步骤4)按800mm/s的扫描速度，0.03mm的扫描间距，160W的功率，0.03mm的激光光斑直径，0.03mm的层厚，以给定路径扫描；每扫描一层，计算机控制基板下降一层厚度的距离，同时通过铺粉机构将新一层合金粉末铺入；

步骤5)待全部扫描完成、冷却后使用线切割令工件与基板分离；

步骤6)清洗、打磨、抛光工件至满足需求。

实施例2

本例采用粒径在15～53μm的粉末态中熵合金，药粉配方为Cr33％，Co33％，Ni34％，进行增材制造，步骤如下：

步骤3)在软件中建立欲打印的，半径5mm，高10mm的圆柱阵列的3D模型，转化成机器人扫描路径文件，输入机器人控制电脑中；

步骤4)按1000mm/s的扫描速度，0.04mm的扫描间距，160W的功率，0.03mm的激光光斑直径，0.03mm的层厚，以给定路径扫描；每扫描一层，计算机控制基板下降一层厚度的距离，同时通过铺粉机构将新一层合金粉末铺入；

步骤6)清洗、打磨、抛光工件至满足需求。

实施例3

本例采用粒径在53～150μm的粉末态中熵合金，药粉配方为Cr20％，Co50％，Ni30％，进行增材制造，步骤如下：

步骤1)选择200mm×150mm的钛基板，清理至洁净、无油污、灰尘、锈迹等；

步骤2)采用工业机器人搭载激光器，并联选区激光熔覆送粉系统，将合金粉末烘干、过筛后填入送粉系统中；

步骤4)按按700mm/s的扫描速度，3.0mm的扫描间距，3500W的功率，2mm的激光光斑直径，0.5mm的层厚，以给定路径扫描，形成熔池；同时通过送粉机构将粉末送入熔池，使之与前层材料结合；

步骤6)打磨、抛光至满足需求。

实施例4

本例采用直径在0.2mm的丝材中熵合金，药粉配方为Cr30％，Co20％，Ni50％，进行增材制造，步骤如下：

步骤2)采用工业机器人搭载弧焊电源，并联电弧熔丝焊接送丝系统，将合金丝材送入送丝系统中；

步骤4)按36V的平均电压，180A的电流，25mm/s的扫描速度，0.2mm的扫描间距，以合金丝材为正极，基板为负极，以给定路径扫描进行电弧熔丝增材制造；

步骤6)打磨、抛光至满足需求。

以上实施案例中制备得到的CrCoNi中熵合金样品的XRD衍射图谱始终如图1所示，表明该中熵合金保持单一的面心立方晶体结构。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种用于增材制造的中熵合金的应用方法，其特征在于，所述中熵合金组分包括Cr、Co、Ni，晶体结构为单一的面心立方结构，所述Cr、Co、Ni的原子百分比分别为20％～50％，所述原子百分比总和为100％，所述中熵合金的型态为粉末状或丝状中的任意一种，所述方法包括以下步骤：

步骤3，在软件中建立欲打印工件的3D模型，转化成机器人扫描路径文件，输入所述工业机器人控制的电脑中；

步骤5，待全部扫描完成、冷却后使用线切割令所述工件与所述金属基板分离；

步骤6，清洗、打磨、抛光所述工件。

2.如权利要求1所述的用于增材制造的中熵合金的应用方法，其特征在于，步骤2所述热源在所述粉末状中熵合金的增材制造中采用激光器，所述送料系统为选区激光熔覆送粉系统，所述选区激光熔覆送粉系统中设置有刮刀，用于将第一层所述粉末状中熵合金平铺在步骤1所述金属基板上。

3.如权利要求2所述的用于增材制造的中熵合金的应用方法，其特征在于，所述激光器的扫描速度为700～1500mm/s，扫描间距为0.02～5.0mm，功率为140～5000W，激光光斑直径为0.03～3mm，层厚为0.03～1mm。

4.如权利要求1所述的用于增材制造的中熵合金的应用方法，其特征在于，步骤2所述热源在丝状中熵合金的增材制造中采用弧焊电源，所述送料系统为电弧熔丝焊接送丝系统。

5.如权利要求4所述的用于增材制造的中熵合金的应用方法，其特征在于，所述弧焊电源的平均电压为30～60V，电流为120～400A，扫描速度为20～40mm/s，扫描间距为0.05～3mm。