CN112226766A - 一种高熵合金粉末激光熔覆层的制备方法 - Google Patents

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张立春
王群
马兰
孙远东
史秀梅
康晶杰
王若兰
李岩
李胜杰
任丽宏
温铁丽
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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Abstract

本发明公开了一种高熵合金粉末激光熔覆层的制备方法，该粉末材料由Mn、Cr、Fe、Ni和Co组成，且摩尔比为1：1：1：1：x，其中x=1.25‑1.5，制备方法包括以下步骤：（1）用高速高压气流将液态金属流破碎成小液滴并凝固成粉末；（2）对表面进行预处理，然后在超声波清洗机中用酒精清洗基体材料表面，并进行真空干燥处理；（3）将粉末熔覆于经过预处理的基体材料表面上，形成与基体层紧密结合的熔覆层，得到表面强化层；（4）使用无水乙醇清洗得到的熔覆层，再晾干。本发明通过激光熔覆的方法在合金板材表面获得了具有高强度且高耐磨的熔覆层，提高工件的使用寿命，不仅高效、易控且经济实用，具有广阔的市场应用前景，经济效应显著。

Description

一种高熵合金粉末激光熔覆层的制备方法
技术领域
本发明涉及一种涂层材料的制备方法，具体涉及一种高熵合金粉末激光熔覆层的制备方法，属于合金材料制备领域。
背景技术
激光熔覆作为一种新型的激光修复技术，适用于小范围且厚度薄的情况，不仅能很好的控制熔覆层的精度，且熔覆层的晶粒细小、组织致密，能显著改善冷冲压模具的力学性能。国内外专家通常利用激光熔覆的技术修复涡轮叶片，一贯思维是将Co基或Ni基合金粉末作为熔覆层，通过控制激光工艺参数，完成修复任务。Co基和Ni基合金材料由于其自身具有良好的耐磨性、湿润性和抗氧化性，在实际的生产和研究中应用的十分广泛。但是他们的价格较为昂贵，相比之下，Fe基粉末的价格便宜，但是它的自熔性及高温性能较差，通过传统的预置涂层法制备的高熵合金熔覆层，其宏观形貌较差，存在明显的成分偏析，然而通过气雾化法制备的合金粉末熔点稳定、球粒度较好且化学成分更均匀，采用激光同轴送粉法制备高熵合金熔覆层的宏观形貌也更好。
在常规合金的基体上制备高熵合金熔覆层，可以有效提高合金的使用性能，优异的性能使得激光熔覆在表面强化层方面的应用越来越多。通过激光熔覆的方法，结合抗高温耐磨合金粉末可以修复或强化各种失效高温耐磨部件，恢复或提高它们的使用功能。然而，如何选择合适的熔覆材料、工艺参数和方法，开发出一种性能优良且成本低廉的粉末合金材料及激光熔覆工艺参数成为亟需解决的问题。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种高熵合金粉末激光熔覆层的制备方法，通过调整材料中元素的含量，提供一种耐高温、耐磨损、具有优越激光加工性能且能够在合金工件表面大面积激光熔覆强化用的抗高温耐磨合金粉末材料，用以修复或强化各种失效高温耐磨部件，恢复或提高它们的使用功能。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种高熵合金粉末激光熔覆层的制备方法，该粉末材料由Mn、Cr、Fe、Ni和Co组成，且摩尔比为1：1：1：1：x，其中x=1.25-1.5，制备方法包括以下步骤：
（1）依次经过真空熔炼、气雾化制粉、筛分、机械混粉等操作，用高速高压气流将液态金属流破碎成小液滴并凝固成粉末；
（2）用电火花线切割机将Inconel 718合金板材切割成长方体块作为基体材料，清理掉表面的油污，对表面进行预处理，包括对合金板材进行电火花线切割加工，先用角磨机除去基体材料表面的锈迹，采用丙酮去除油污，用砂纸打磨基体材料表面至平整光滑，然后在超声波清洗机中用酒精清洗基体材料表面，并进行真空干燥处理；
（3）采用光纤激光器及同轴送粉装置将步骤（1）得到的高熵合金粉末熔覆于经过预处理的基体材料表面上，形成与基体层紧密结合的熔覆层，激光熔覆工艺参数为激光功率1.6千瓦，扫描速度350-450毫米/分钟，光斑半径3.5-4毫米，搭接率60%-65%，保护气体采用氩气，与基体材料成冶金结合的熔覆层，得到表面强化层；
（4）使用无水乙醇清洗得到的熔覆层，再晾干，即可制备出具有表面熔覆层的合金板材。
优选的，其特征在于，步骤（1）制备出的高熵合金粉末粒径为140-270目。
优选的， 粉末合金材料中的Mn、Cr、Fe、Ni和Co各组分纯度均在99.95%以上。
优选的，步骤（2）中基体材料打磨后，表面平均粗糙度值满足0.4 μm≤Ra≤1.2 μm。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
（1）本发明通过调整熔覆层材料中各元素的含量，设计出了一种具有优越激光加工性能且能够在合金工件表面大面积激光熔覆用的抗高温耐磨损的合金粉末材料，通过激光熔覆的方法在合金板材表面获得了具有高强度且高耐磨的熔覆层。
（2）本发明适用于各类高温工作状况条件下的耐磨工件表面大面积制备激光熔覆强化层，还可以用于失效高温耐磨工件的修复与强化处理，进而提高工件的使用寿命。本发明制备的熔覆层与基体结合良好，无气孔和裂纹等宏观缺陷，熔覆层的耐磨性很好，摩擦系数为0.7849-0.7957。
（3）本发明提供的制备方法不仅高效、易控且经济实用，具有广阔的市场应用前景，经济效应显著。
附图说明
图1为本发明制备的熔覆层的示意图；其中：1-基体、2-熔覆层；
图2为熔覆层的横截面显微组织分布图；
图3为熔覆层的摩擦系数图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
一种高熵合金粉末激光熔覆层的制备方法，该粉末材料由Mn、Cr、Fe、Ni和Co组成，且摩尔比为1：1：1：1：x，其中x=1.25-1.5，其中各组分纯度均在99.95%以上，原料的纯度可以保证制备出的熔覆层的性能均匀，不会出现力学性能差异的问题。制备方法包括以下步骤：
（1）依次经过真空熔炼、气雾化制粉、筛分、机械混粉等操作，用高速高压气流将液态金属流破碎成小液滴并凝固成粉末，作为最优选的方案，制备出的高熵合金粉末粒径为140-270目，粒径小有利于粉末成分更加均匀，熔覆效果最好。
（2）用电火花线切割机将Inconel 718合金板材切割成长方体块作为基体材料，清理掉表面的油污，对表面进行预处理，包括对合金板材进行电火花线切割加工，先用角磨机除去基体材料表面的锈迹，采用丙酮去除油污，用砂纸打磨基体材料表面至平整光滑，为了保证熔覆层附着的效果达到最优，基体材料的表面平均粗糙度值满足0.4 μm≤Ra≤1.2 μm。然后在超声波清洗机中用酒精清洗基体材料表面，并进行真空干燥处理；
（3）采用光纤激光器及同轴送粉装置将步骤（1）得到的高熵合金粉末熔覆于经过预处理的基体材料表面上，形成与基体层紧密结合的熔覆层，激光熔覆工艺参数为激光功率1.6千瓦，扫描速度350-450毫米/分钟，光斑半径3.5-4毫米，搭接率60%-65%，保护气体采用氩气，与基体材料成冶金结合的熔覆层，得到表面强化层；
（4）使用无水乙醇清洗得到的熔覆层，再晾干，即可制备出具有表面熔覆层的合金板材，如图1所示。
实施例制备的表面强化层横截面的微观组织分布图如图2所示。从宏观金相中观察试样的截面组织可以分为三个部分，分别为熔覆层、界面和基体热影响区，观察不到明显的裂纹以及气孔，熔覆层与基体材料之间相容性很好。使用王水对试样进行了腐蚀处理，基体材料的组织仅隐约可见，而熔覆层的组织却被严重腐蚀，说明基体材料的耐腐蚀性能远高于熔覆层。结合XRD的分析结果，合金熔覆层主要形成简单的FCC固溶体，主要表现为枝晶与枝晶间的结构形貌，熔覆层的微观组织细小且密集。
将实施例制备的熔覆层，采用UMT-3型摩擦磨损试样机对试样进行磨损性实验，摩擦运动方式是往复式，摩擦小球材料为GCr15，GCr15小球在熔覆试样上方往复运动产生滑动摩擦，试验参数为：试验力10 N，往复频率5 Hz，试验时间为60 min，温度设置为室温。熔覆层的磨损量为8.62 mg，摩擦系数为0.7859，摩擦系数与磨损时间关系如图3所示，摩擦系数随着摩擦时间由大变小并逐渐趋于稳定，即随着熔覆层深度的增加，熔覆层的耐磨性逐渐变好，激光熔覆得到的熔覆层表现出较好的耐磨性能。结合组织形貌的分析，较好的耐磨性来源于合金熔覆层细小、密集的微观组织。
本发明通过调整表面强化层材料中元素的含量，获得了具有高强度的熔覆层；熔覆层的宏观形貌良好，观察不到明显的组织缺陷，激光熔覆的工艺参数合理，熔覆层具有耐磨损的性能。本发明设计的合金粉末材料适用于各类高温工作状况条件下的耐磨工件表面大面积的熔覆层强化，还可以用于失效高温耐磨工件的修复，提高工件的使用寿命。

Claims (4)

1.一种高熵合金粉末激光熔覆层的制备方法，其特征在于，该粉末材料由Mn、Cr、Fe、Ni和Co组成，且摩尔比为1：1：1：1：x，其中x=1.25-1.5，制备方法包括以下步骤：
（1）依次经过真空熔炼、气雾化制粉、筛分、机械混粉等操作，再用高速高压气流将液态金属流破碎成小液滴并凝固成粉末；
（2）用电火花线切割机将Inconel 718合金板材切割成长方体块作为基体材料，清理掉表面的油污，对表面进行预处理，包括对合金板材进行电火花线切割加工，先用角磨机除去基体材料表面的锈迹，采用丙酮去除油污，用砂纸打磨基体材料表面至平整光滑，然后在超声波清洗机中用酒精清洗基体材料表面，并进行真空干燥处理；
（3）采用光纤激光器及同轴送粉装置将步骤（1）得到的高熵合金粉末熔覆于经过预处理的基体材料表面上，形成与基体层紧密结合的熔覆层，激光熔覆工艺参数为激光功率1.6千瓦，扫描速度350-450毫米/分钟，光斑半径3.5-4毫米，搭接率60%-65%，保护气体采用氩气，与基体材料成冶金结合的熔覆层，得到表面强化层；
（4）使用无水乙醇清洗得到的熔覆层，再晾干，即可制备出具有表面熔覆层的合金板材。
2.根据权利要求1所述的一种高熵合金粉末激光熔覆层的制备方法，其特征在于，步骤（1）制备出的高熵合金粉末粒径为140-270目。
3. 根据权利要求1或2所述的一种高熵合金粉末激光熔覆层的制备方法，其特征在于，粉末合金材料中的Mn、Cr、Fe、Ni和Co各组分纯度均在99.95%以上。
4. 根据权利要求1或2所述的一种高熵合金粉末激光熔覆层的制备方法，其特征在于，步骤（2）中的基体材料打磨后，表面平均粗糙度值满足0.4 μm≤Ra≤1.2 μm。
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