CN111101043B - 一种激光增材制造的CrMoVNbAl高熵合金及其成形工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于金属材料制备技术领域域的一种激光增材制造的CrMoVNbAl高熵合金及其成形工艺。所述合金原料Cr、Mo、V、Nb、Al按等摩尔比称取，制备成合金锭，然后雾化成粉末激光增材制造进行CrMoVNbAl高熵合金的成形。所述高熵合金的硬度为HV0.2＝800‑850，抗压强度为1700‑1800MPa，具有高强度和良好的耐磨性。同时，所述成形工艺具有无需模具、材料利用率高、机械加工量小、生产成本低、制造周期短、柔性高效等优点，采用高性能材料与先进材料制备方法结合，具有较好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于金属材料制备技术领域，尤其涉及一种激光增材制造的CrMoVNbAl高熵合金及其成形工艺。
背景技术
传统合金中，如果组成的元素较多，合金会形成脆性金属间化合物，使其性能恶化。高熵合金以等原子比或近似等原子比的多个元素为主元，因此高熵合金与传统合金有不同的特点。研究发现，将5种或5种以上的金属元素按等摩尔比或近等摩尔比混合在一起，不区分主要元素。熔炼得到的合金具有显微结构简化、不倾向于出现金属间化合物、具有纳米析出物和非晶等结构特征，有效降低了多主元引起的合金的脆性，有利于形成简单的结晶相，具有高强度、高硬度、耐回火软化、耐磨等综合性能，可应用于制作高强度、耐高温、耐腐蚀的零部件，具有极为广阔的应用前景。高熵合金传统制备工艺一般采用加热熔炼或电化学沉积法制备，两类制备方法对所选组元有较高的选择性，设备昂贵且制备时间较长、能耗高。
传统的制备工艺难以实现零件的一体成形，越来越难适应零件的设计需求。激光增材制造技术通过高功率激光熔化同步输送的原料合金粉末，逐层堆积出具有致密组织和良好性能的零件，具有成形过程无需模具、材料利用率高、机械加工量小、生产成本低、制造周期短、柔性高效等优点，特别适合于成形高性能、难加工、材料成本高的零件，是新材料和先进制造领域的国际研究前沿和竞争热点。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种激光增材制造的CrMoVNbAl高熵合金，所述合金原料Cr、Mo、V、Nb、Al按等摩尔比称取，原料纯度不低于99.5wt.％。
按物质的量百分比计，所述合金原料含量为：Cr 19.5％～20.5％、Mo 19.5％～20.5％、V19.5％～20.5％、Nb 19.5％～20.5％，Al 19.5％～20.5％。
所述CrMoVNbAl高熵合金的硬度为HV0.2＝800-850，抗压强度为1700-1800MPa，具有高强度和良好的耐磨性。
一种激光增材制造的CrMoVNbAl高熵合金成形工艺，采用激光增材制造工艺将CrMoVNbAl高熵合金粉末成形，得到CrMoVNbAl高熵合金。
所述激光增材制造工艺参数为：激光功率：1000W～2000W，送粉量3～10g/min，成形过程在空气中进行，成形速率：3～10mm/s，载气流量4～6L/min，层高：0.3～1.0mm，成形路径由CAD建模、剖分、填充并输出代码控制。
一种激光增材制造的CrMoVNbAl高熵合金成形工艺，还包括CrMoVNbAl高熵合金粉末的制备方法。
所述CrMoVNbAl高熵合金粉末的制备方法，步骤为：
1)称取合金原料，混合熔炼得到合金锭；
2)将合金锭雾化制备合金粉末。
所述步骤1)中熔炼工艺为将原料熔点由低到高顺序Al、Cr、V、Nb、Mo依次放入高真空非自耗电弧熔炼炉，熔炼CrMoVNbAl高熵合金锭，熔炼过程在高纯氩气保护下进行，充分熔化后保温10～30分钟，然后炉冷。
所述步骤1)中合金锭为纽扣合金锭，重量为50～150g，合金锭硬度为HV0.2＝630-650，抗压强度为1580-1630MPa。
所述步骤2)中雾化工艺为真空电极感应熔炼气雾化，收得粉末粒度为-90～﹢325目。
本发明的有益效果在于：
1.本发明采用激光增材制造技术制备CrMoVNbAl高熵合金零件。激光增材制造具有无需模具、材料利用率高、机械加工量小、生产成本低、制造周期短、柔性高效等优点，采用高性能材料与先进材料制备方法结合，具有较好的应用前景。
2.采用本方法所制备的CrMoVNbAl高熵合金硬度为HV0.2＝800-850，抗压强度为1700-1800Mpa，具有高强度、高硬度、耐磨等综合性能。
3.激光增材制造CrMoVNbAl高熵合金所用粉末通过熔炼合金锭、雾化工艺制备，合金锭及粉末为体心立方结构的高熵合金，可以通过激光增材制造工艺制备CrMoVNbAl高熵合金零件，克服了直接将原料粉末机械混合而导致激光增材制造过程中开裂的问题。
4.采用本方法所制备的CrMoVNbAl高熵合金锭的硬度为HV0.2＝630-650，抗压强度为1580-1630Mpa，合金锭经雾化后，采用激光增材制造工艺制备CrMoVNbAl高熵合金，制备过程中高的冷却速率使合金的显微组织比熔炼CrMoVNbAl高熵合金锭细小，硬度和抗压强度进一步提高，综合力学性能更优。
附图说明
图1为本发明熔炼的CrMoVNbAl高熵合金锭SEM图片及XRD测试结果。
图2为本发明熔炼的CrMoVNbAl高熵合金锭EDS测试结果。
图3为本发明采用激光增材制造工艺成形CrMoVNbAl高熵合金的SEM图片。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
实施例1
采用激光增材制造工艺制备CrMoVNbAl高熵合金。
本实施例包括如下步骤：
1)称取原料，按物质的量百分比计，原料包括金属Cr 20％、金属Mo 20％、金属V20％、金属Nb 20％，以及金属Al 20％，原料纯度99.5wt.％。；
2)将原料按熔点由低到高顺序Al、Cr、V、Nb、Mo依次放入高真空非自耗电弧熔炼炉，熔炼CrMoVNbAl高熵合金锭，熔炼过程在高纯氩气保护下进行，充分熔化后保温10分钟，然后炉冷，得到重量为50g的纽扣合金锭；
3)采用真空电极感应熔炼气雾化工艺制备CrMoVNbAl高熵合金粉末，收得粉末粒度为-90～﹢325目；
4)在空气气氛中，采用激光增材制造工艺成形CrMoVNbAl高熵合金，激光器采用半导体激光器，光斑直径：3mm，激光功率：1000W，成形速率：3mm/s，送粉量3g/min，载气流量4L/min，保护气流量5L/min，层高：0.3mm，成形过程成形路径由CAD建模、剖分、填充并输出代码控制。基板采用GH4169合金板材，厚度10mm，成形时，首先打开保护气，防止激光头污染；然后打开送粉器，待送粉头喷出的粉末均匀流畅；最后同时打开激光和运动控制系统，即可按照设定的成形路径进行合金的成形，所制备的合金薄壁尺寸：长×宽×高＝40mm×4mm×40mm。
经过测试，CrMoVNbAl高熵合金锭的硬度为HV0.2＝644，抗压强度为1604MPa；激光增材制造工艺成形CrMoVNbAl高熵合金的硬度为HV0.2＝817，抗压强度为1725MPa，所制备高熵合金硬度较高，具有较高的强度和较好的耐磨性。
CrMoVNbAl高熵合金中，铬元素：用于改善合金耐腐蚀性和抗高温氧化性；钼元素和铌元素：用于保证高温强度；钒元素：用于改善力学性能和高温蠕变性能；铝元素：用于提高材料的强度。
由于高熵合金中同时含有熔点较低的Al元素(660℃)和熔点较高的Mo元素(2620℃)，此工艺参数在保证高熔点元素熔化的同时，低熔点元素不致过多烧损。
如图1所示，用JSM-7900F扫描电子显微镜分别在100倍数下观测CrMoVNbAl高熵合金锭显微组织，并进行了XRD测试结果。对熔炼的CrMoVNbAl高熵合金锭进行了EDS测试，结果如图2所示。
如图3所示，用JSM-7900F扫描电子显微镜在1000倍数下观察得到CrMoVNbAl高熵合金的显微组织。对比图1可知，激光增材制造工艺制备的CrMoVNbAl高熵合金比熔炼的CrMoVNbAl高熵合金锭组织更加细小。
实施例2
采用激光增材制造工艺制备CrMoVNbAl高熵合金。
本实施例包括如下步骤：
1)称取原料，按物质的量百分比计，原料包括金属Cr19.5％、金属Mo 19.5％、金属V 20％、Nb 20.5％，以及金属Al 20.5％，原料纯度99.6wt.％。；
2)将原料按熔点由低到高顺序Al、Cr、V、Nb、Mo放入高真空非自耗电弧熔炼炉，熔炼CrMoVNbAl高熵合金锭，熔炼过程在高纯氩气保护下进行，充分熔化后保温20分钟，然后炉冷，得到重量为100g的纽扣合金锭；
3)采用真空电极感应熔炼气雾化工艺制备CrMoVNbAl高熵合金粉末，收得粉末粒度为-90～﹢325目；
4)在空气气氛中，采用激光增材制造工艺成形CrMoVNbAl高熵合金，激光器采用半导体激光器，光斑直径：3mm，激光功率：1000W，成形速率：3mm/s，送粉量3g/min，载气流量4L/min，保护气流量5L/min，层高：0.3mm，成形过程成形路径由CAD建模、剖分、填充并输出代码控制。基板采用GH4169合金板材，厚度10mm，成形时，首先打开保护气，防止激光头污染；然后打开送粉器，待送粉头喷出的粉末均匀流畅；最后同时打开激光和运动控制系统，即可按照设定的成形路径进行合金的成形，所制备的合金薄壁尺寸：长×宽×高＝40mm×10mm×10mm。
经过测试，CrMoVNbAl高熵合金锭的硬度为HV0.2＝634，抗压强度为1589MPa；激光增材制造工艺成形CrMoVNbAl高熵合金的硬度为HV0.2＝821，抗压强度为1751MPa，所制备高熵合金硬度较高，具有较高的强度和较好的耐磨性。
实施例3
采用激光增材制造工艺制备CrMoVNbAl高熵合金。
本实施例包括如下步骤：
1)称取原料，按物质的量百分比计，原料包括金属Cr 20.5％、金属Mo 20.5％、金属V19.5％、金属Nb 20％，以及金属Al 19.5％，原料纯度99.7wt.％。；
2)将原料按熔点由低到高顺序Al、Cr、V、Nb、Mo放入高真空非自耗电弧熔炼炉，熔炼CrMoVNbAl高熵合金锭，熔炼过程在高纯氩气保护下进行，充分熔化后保温30分钟，然后炉冷，得到重量为150g的纽扣合金锭；
3)采用真空电极感应熔炼气雾化工艺制备CrMoVNbAl高熵合金粉末，收得粉末粒度为-90～﹢325目；
4)在空气气氛中，采用激光增材制造工艺成形CrMoVNbAl高熵合金，激光器采用半导体激光器，光斑直径：3mm，激光功率：1000W，成形速率：3mm/s，送粉量3g/min，载气流量4L/min，保护气流量5L/min，层高：0.3mm，成形过程成形路径由CAD建模、剖分、填充并输出代码控制。基板采用GH4169合金板材，厚度10mm，成形时，首先打开保护气，防止激光头污染；然后打开送粉器，待送粉头喷出的粉末均匀流畅；最后同时打开激光和运动控制系统，即可按照设定的成形路径进行合金的成形，所制备的合金薄壁尺：长×宽×高＝10mm×10mm×10mm。
经过测试，CrMoVNbAl高熵合金锭的硬度为HV0.2＝648，抗压强度为1621MPa；激光增材制造工艺成形CrMoVNbAl高熵合金的硬度为HV0.2＝840，抗压强度为1782MPa，所制备高熵合金硬度较高，具有较高的强度和较好的耐磨性。
对比例1
采用激光增材制造工艺制备CrMoVNbAl高熵合金，所用CrMoVNbAl高熵合金粉末不经熔炼雾化，而是采取原料粉末直接混合工艺制粉。
本实施例包括如下步骤：
1)称取原料，按物质的量百分比计，原料包括金属Cr 20％、金属Mo 20％、金属V20％、金属Nb 20％，以及金属Al 20％，原料纯度99.5wt.％。；
2)采用95％锆珠，直径3mm，球料比1:1，放入三维混料机进行混粉6h；
3)在空气气氛中，采用激光增材制造工艺成形CrMoVNbAl高熵合金，激光器采用半导体激光器，光斑直径：3mm，激光功率：1000W，成形速率：3mm/s，送粉量3g/min，载气流量4L/min，保护气流量5L/min，层高：0.3mm，成形过程成形路径由CAD建模、剖分、填充并输出代码控制。基板采用GH4169合金板材，厚度10mm，成形时，首先打开保护气，防止激光头污染；然后打开送粉器，待送粉头喷出的粉末均匀流畅；最后同时打开激光和运动控制系统，即可按照设定的成形路径进行合金的成形。
在激光增材制造工艺制备CrMoVNbAl合金第一层时，合金发生开裂，无法继续成形。
Claims (3)
1.一种激光增材制造的CrMoVNbAl高熵合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）称取合金原料，混合熔炼得到合金锭；
所述合金原料Cr、Mo、V、Nb、Al按等摩尔比称取，原料纯度不低于99.5wt.%；
所述合金原料含量为：Cr 19.5％～20.5％、Mo 19.5％～20.5％、V 19.5％～20.5％、Nb 19.5％～20.5％，Al 19.5％～20.5％；
所述合金锭为纽扣合金锭，重量为50~150 g，合金锭硬度为HV0.2=630-650，抗压强度为1580-1630 MPa；
2）将合金锭雾化制备CrMoVNbAl高熵合金粉末；
3）采用激光增材制造工艺将CrMoVNbAl高熵合金粉末成形，得到CrMoVNbAl高熵合金；所述雾化工艺为真空电极感应熔炼气雾化，收得粉末粒度为-90～﹢325目；
所述CrMoVNbAl高熵合金的硬度为HV0.2=800-850，抗压强度为1700-1800 MPa，具有高强度和良好的耐磨性。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述激光增材制造工艺参数为：激光功率：1000W～2000W，送粉量3～10g/min，成形过程在空气中进行，成形速率：3～10mm/s，载气流量4～6L/min，层高：0.3～1.0mm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤1）中熔炼工艺为将原料熔点由低到高顺序Al、Cr、V、Nb、Mo依次放入高真空非自耗电弧熔炼炉，熔炼CrMoVNbAl高熵合金锭，熔炼过程在高纯氩气保护下进行，充分熔化后保温10~30分钟，然后炉冷。
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