CN110000515A - 一种高熵合金CoCrCuFeNi激光重铸层及其制备方法 - Google Patents

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    • C23C24/103—Coating with metallic material, i.e. metals or metal alloys, optionally comprising hard particles, e.g. oxides, carbides or nitrides

Abstract

本发明公开了一种高熵合金CoCrCuFeNi激光重铸层的制备方法，包括以下步骤：配制高熵合金CoCrCuFeNi原料，将原料放入水冷铜坩埚中；真空度抽至5×10‑3 Pa以内，随后关闭抽气系统并充入氩气，关闭充气系统；开始引弧，使金属原料完全熔化；不同金属元素熔合均匀后，使之在循环水冷铜模中自然冷却，最终获得圆饼状铸锭；将熔炼的高熵合金CoCrCuFeNi圆饼状铸锭利用线切割的方法切割为薄板；采用连续多道激光重熔的方法焊接高熵合金CoCrCuFeNi表面。计算高熵合金CoCrCuFeNi激光重熔层的屈服应力：激光重熔层的屈服应力大于母材，母材的屈服应力为125.94±23.56 MPa，在激光功率500 W，焊接速度1.4 m/min的焊接参数下得到的激光重熔层屈服应力最大，达到306.06±31.49 MPa。

Description

一种高熵合金CoCrCuFeNi激光重铸层及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高熵合金激光重铸层，尤其是一种高熵合金CoCrCuFeNi激光重铸层及其制备方法。
背景技术
高熵合金与传统合金不同，它是由多种主元共同作用的结果，而非单一的体现出某种元素特有的性质。高熵合金中由于多主元之间相互混合会产生以下影响：高熵效应、晶格扭曲、迟缓扩散和鸡尾酒效应。这几个因素使高熵合金具备了多种性能，从而具有了广泛的用途，高熵合金具有一些传统合金无法比拟的优异性能，有更高的强度与硬度，良好的塑、韧性，耐回火软化及高温稳定性，优异的耐腐蚀性、耐磨性等。
但是高熵合金又存在着低导热性，焊接性能较差等缺点。目前高熵合金的焊接中主要存在的问题有：随焊缝强度降低，化学成分易偏析，经历焊接热循环后，焊接接头熔合区出现复杂的组织结构和元素分布。脉冲激光焊接高熵合金时，激光束能量不连续，焊缝中容易产生裂纹现象。
而连续光纤激光器激光质量非常好，且激光能量连续，在光路传输过程中不会发生分离和变形光纤激光器的波长约1.06μm，远小于CO2激光器10.6μm的波长，激光波长越短，激光光子越容易被金属材料吸收；此外光纤激光器的衰减度约为10dB/km，比固体激光器少几个数量级。因此本次研究连续光纤激光焊接高熵合金CoCrCuFeNi是十分有必要的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术缺陷，提供一种具有较高屈服应力的熵合金CoCrCuFeNi激光重铸层及其制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供的高熵合金CoCrCuFeNi激光重铸层的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：配制高熵合金CoCrCuFeNi原料，将原料放入高真空非自耗电弧熔炼设备的水冷铜坩埚中；采用抽气系统将真空度抽至5×10-3Pa以内，随后关闭抽气系统并采用充气系统充入氩气，直到压力为1013Pa，关闭充气系统；
步骤二：将电弧枪枪尖调整至距离原料最高点3～5mm处，开始引弧，使金属原料完全熔化；不同金属元素熔合均匀后，使之在循环水冷铜模中自然冷却，最终获得圆饼状铸锭；
步骤三：将熔炼的高熵合金CoCrCuFeNi圆饼状铸锭利用线切割的方法切割为厚1mm～2mm的薄板；
步骤四：采用连续多道激光重熔的方法焊接高熵合金CoCrCuFeNi表面；选择激光功率变化范围为250–500W，激光焊接速度变化范围为1.0–2.0m/min，焊缝重合率为30％制备激光重熔层。
作为改进，在步骤四中，激光功率采用500W，激光焊接速度采用1.4m/min。
本发明还提供一种高熵合金CoCrCuFeNi激光重铸层，根据上述制备方法制得。
本发明的有益效果在于：本此研究以高熵合金CoCrCuFeNi为对象，对其进行单道激光焊接和激光表面重熔，获得了表面成形良好，均匀致密的焊接组织，是为激光焊接高熵合金领域进行了初步的探索。发现随着激光功率的增加，焊缝的熔深、熔宽、束腰高和束腰宽均增大；随着焊接速度的增加，焊缝的熔深、熔宽、束腰高和束腰宽均减小。激光功率对熔深的影响更明显，焊接速度对熔宽、束腰高、束腰宽的影响更明显。激光功率和焊接速度的变化对焊缝的硬度影响不大。在激光功率采用500W，激光焊接速度采用1.4m/min的情况下，高熵合金CoCrCuFeNi激光重铸层的屈服应力最大。
附图说明
图1为高熵合金CoCrCuFeNi表面激光重熔层在不同激光功率下的纳米压痕实验载荷-位移曲线(不同的激光功率)；
图2为高熵合金CoCrCuFeNi表面激光重熔层纳米压痕实验载荷-位移曲线(不同的重熔速度)；
图3为高熵合金CoCrCuFeNi表面激光重熔层屈服应力(不同的激光功率)；
图4为高熵合金CoCrCuFeNi表面激光重熔层屈服应力(不同的重熔速度)。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作详细说明。
一种高熵合金CoCrCuFeNi激光重铸层的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：本发明使用高纯粒状金属作为原料，纯度在99wt％以上。按等摩尔称量Co、Cr、Fe、Ni、Cu五种元素。配制总质量约为100g的高熵合金CoCrCuFeNi铸态试样；高熵合金CoCrCuFeNi的成分如表1所示。
表1高熵合金CoCrCuFeNi的组成成分
待高熵合金原料配制完成后，将原料放入高真空非自耗电弧熔炼设备的水冷铜坩埚中。先用机械泵预先将真空度抽到20Pa，再开启分子泵抽至5×10-3Pa以内，随后关闭抽气系统并充入纯度为99.999％的高纯氩气，直到压力为1013Pa，关闭充气系统。
步骤二：将电弧枪枪尖调整至距离原料最高点3～5mm处，开始引弧，使金属原料完全熔化；不同金属元素熔合均匀后，使之在循环水冷铜模中自然冷却，最终获得圆饼状铸锭；
步骤三：将熔炼的高熵合金CoCrCuFeNi圆饼状铸锭利用线切割的方法切割为厚1mm的薄板；
步骤四：采用连续多道激光重熔的方法焊接高熵合金CoCrCuFeNi表面；选择激光功率变化范围为250–500W，激光焊接速度变化范围为1.0–2.0m/min，焊缝重合率为30％制备激光重熔层；激光表面重熔试验工艺参数如表3所示。
表3高熵合金CoCrCuFeNi激光表面重熔参数
对激光重熔层的力学性能、耐磨性能和耐腐蚀性能进行测试分析。不同激光重熔参数下获得的高熵合金CoCrCuFeNi表面激光重熔层和铸态母材的纳米压痕实验载荷-位移曲线如图1-2所示，从图中可以看出铸态母材的最大载荷的位移hml最大，经过激光重熔的高熵合金CoCrCuFeNi表面激光重熔层的最大载荷位移则明显小于铸态母材，这说明激光重熔层的硬度大于铸态母材。在高熵合金CoCrCuFeNi表面激光重熔层的应力加载过程中，其载荷-位移曲线为非线性，证明高熵合金CoCrCuFeNi本身有一定的韧性，非完全弹性形变，且在应力作用下位移曲线斜率逐渐增加，主要由于高熵合金CoCrCuFeNi相结构较为复杂，内部位错较多，在应力的作用下对压头的抵抗能力增强。
如图3-4所示，通过压痕载荷-位移曲线可以物理反解析得到被压材料的屈服应力，最终得到的高熵合金CoCrCuFeNi激光重熔层的屈服应力：激光重熔层的屈服应力大于母材，母材的屈服应力为125.94±23.56MPa，激光重熔层的平均屈服应力为262.83±36.24MPa，在激光功率500W，焊接速度1.4m/min的焊接参数下得到的激光重熔层屈服应力最大，达到306.06±31.49MPa。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种高熵合金CoCrCuFeNi激光重铸层的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：配制高熵合金CoCrCuFeNi原料，将原料放入高真空非自耗电弧熔炼设备的水冷铜坩埚中；采用抽气系统将真空度抽至5×10-3 Pa以内，随后关闭抽气系统并采用充气系统充入氩气；
步骤二：将电弧枪枪尖调整至距离原料最高点3~5 mm处，开始引弧，使金属原料完全熔化；不同金属元素熔合均匀后，使之在循环水冷铜模中自然冷却，最终获得圆饼状铸锭；
步骤三：将熔炼的高熵合金CoCrCuFeNi圆饼状铸锭利用线切割的方法切割为厚1 mm~2mm的薄板；
步骤四：采用连续多道激光重熔的方法焊接高熵合金CoCrCuFeNi表面；选择激光功率变化范围为250–500 W，激光焊接速度变化范围为1.0–2.0 m/min，焊缝重合率为30 %制备激光重熔层。
2.根据权利要求1 所述的高熵合金CoCrCuFeNi激光重铸层的制备方法，其特征在于：在步骤四中，激光功率采用500W，激光焊接速度采用1.4 m/min。
3.一种高熵合金CoCrCuFeNi激光重铸层，其特征在于：根据权利要求1或2所述的制备方法制得。
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