CN113621958A - 一种铜表面激光熔覆高熵合金涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铜表面激光熔覆高熵合金涂层的方法，属于金属材料表面改性技术领域，包括下列步骤：（1）将Al、Mo、Ti、Mn、Cr、Zr金属块进行处理后通过电弧熔炼制备高熵合金锭，破碎筛选合适粒径大小的合金粉末；（2）工件的准备，对纯铜基体表面进行预处理；（3）在AlMoTiMnCrxZry高熵合金粉末中加入粘结剂混合成糊状，预置涂覆在清洁后的基体表面，然后将该工件放入干燥箱中烘干；（4）利用光纤激光器，在氩气保护下选择适当的激光加工参数对预制涂层进行激光熔覆，然后打磨抛光。本发明通过调整合金中Cr元素和Zr元素的含量控制BCC和FCC相的相对含量，从而获得兼具强度和韧性的合金。
Description
技术领域
本发明属于金属材料表面改性技术领域，涉及一种在纯铜表面激光熔覆AlMoTiMnCrxZry高熵合金涂层的方法。
背景技术
纯铜具有良好的导电导热性能和优异的塑形与韧性，但其强度、硬度及耐磨性较差，限制了其大范围应用。因此，考虑在纯铜表面制备涂层，改善其力学性能。
高熵合金一般被认为至少含有五种主要元素的合金，每种元素的浓度在5到35%之间。在液态或随机固溶体状态下，它们比传统合金具有更高的混合熵。此外，它们还有四种影响微观结构和性能的核心效应：高熵、扩散迟缓、严重晶格畸变和鸡尾酒效应，高熵合金以固溶体相为主，具有优异的综合性能。
激光熔覆技术作为一种先进的材料表面改性技术，可用于制造具有改善表面性能的薄涂层，利用激光的集中的能量束，使熔覆材料和基体可以形成良好的冶金结合，可以适用于加工各种材料。
发明内容
本发明的目的在于解决纯铜表面强化性能不足的问题，提出了一种激光熔覆制备AlMoTiMnCrxZry高熵合金涂层的方法，设计的AlMoTiMnCrxZry高熵合金涂层具有优异的耐磨性能、强度和硬度等力学性能。此外，通过调整合金中Cr元素和Zr元素的含量，可以控制BCC和FCC相的相对含量，从而获得兼具强度和韧性的合金。
为了实现本发明的上述目的，本发明提供下述技术方案：
一种激光熔覆制备AlMoTiMnCrxZry高熵合金涂层的方法，其步骤如下：
（1）AlMoTiMnCrxZry高熵合金粉末的制备：
将Al、Mo、Ti、Mn、Cr、Zr各金属块预先切割成小块，使用砂纸打磨去除其表面氧化层，用无水乙醇擦拭，用电子天平按比例配比。采用真空电弧熔炼设备反复熔炼金属块，使合金锭成分均匀。将得到的熔炼球压碎，用振动磨粉碎30秒，使用200目的筛网过筛，得到粒径小于74μm的AlMoTiMnCrxZry高熵合金粉末。
（2）纯铜基体表面预处理：
选用纯铜为基板，基板尺寸为40×40×3mm，预处理包括用角磨机及砂纸打磨抛光，用无水乙醇清洗表面。
（3）制备预制涂层：
选用无水乙醇作为粘结剂，将AlMoTiMnCrxZry高熵合金粉末混合成糊状，涂在预处理后的基板表面，然后将涂有AlMoTiMnCrxZry高熵合金预制涂层的纯铜基板放入干燥箱中进行烘干，所述AlMoTiMnCrxZry高熵合金由Al、Mo、Ti、Mn、Cr和Zr组成。
（4）高熵合金涂层的熔覆处理：
对预置处理后的工件进行激光熔覆处理。
（5）熔覆工件的表面处理：
待激光熔覆完成后，冷却工件。使用角磨机和砂纸对熔覆层的表面进行打磨处理，使用抛光机对涂层抛光处理。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤4）高熵合金涂层的熔覆处理包括：采用惰性气体为保护气体，激光功率P为1200~1400W，扫描速度V为4~6mm/s，光斑直径D为3mm。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤4）中惰性气体为氩气。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述的高熵合金中各元素的摩尔比为Al：Mo：Ti：Mn：Cr：Zr=1：1：1：1：1： 0-2。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述的高熵合金中各元素的摩尔比为Al：Mo：Ti：Mn：Cr：Zr=1：1：1：1：0-2：1 。
本发明是在氩气气氛保护下在纯铜基体表面进行的激光熔覆过程。在进行激光熔覆时，需要提前开启氩气保护，然后对纯铜基体进行适当预热，随后进行激光熔覆，过程中激光头保持适当的移动速度不变，熔覆完成后，等待几秒关闭氩气开关，使熔覆工件得到充分的氩气保护。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术效果如下：
本发明使用光纤激光器在纯铜基体表面采用激光熔覆的方式制备了一定厚度的AlMoTiMnCrxZry高熵合金涂层，通过调整激光功率、扫描速度、预制涂层厚度等相关参数可以有效控制涂层质量。本发明通过激光熔覆在纯铜表面制成的高熵合金涂层形成了枝晶状的组织结构，涂层的硬度达800~1200HV，较纯铜基体有大幅度提升。该种高熵合金以BCC固溶体为主，和少量FCC固溶体，具有较高的强度硬度。本发明通过激光熔覆在纯铜表面制成的高熵合金涂层可以有效改善纯铜的强度、硬度、耐磨性等性能。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的AlMoTiMnCrxZry高熵合金粉末的SEM图；
图2是本发明实施例1制备的AlMoTiMnCrxZry高熵合金涂层的XRD测试结果；
图3是本发明实施例2制备的AlMoTiMnCrxZry高熵合金涂层的XRD测试结果；
图4是本发明实施例3制备的AlMoTiMnCrxZry高熵合金涂层的XRD测试结果；
图5是本发明各实施例制备的AlMoTiMnCrxZry高熵合金涂层的维氏硬度变化曲线图。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明作进一步详述，以下实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
实施例1：
一种铜表面激光熔覆AlMoTiMnCrxZry高熵合金涂层的方法，包括以下步骤：
（1）AlMoTiMnCrxZry高熵合金粉末的制备：
将Al、Mo、Ti、Mn、Cr、Zr各金属块预先切割成小块，使用砂纸打磨去除材料表面的氧化层，用无水乙醇擦拭干净，用电子天平按等比例称量配比，其中Al、Mo、Ti、Mn、Cr和Zr具有相同的摩尔分数（x=1，y=1）。采用真空电弧熔炼设备反复熔炼金属块，使合金锭成分均匀。将得到的熔炼球压碎，用振动磨粉碎30秒。使用200目的筛网过筛颗粒，得到粒径大小小于74μm的AlMoTiMnCrZr高熵合金粉末。
（2）纯铜基体表面预处理：
选用纯铜为基板，基板尺寸为40×40×3mm，预处理包括用角磨机及砂纸打磨抛光，用无水乙醇清洗表面，最后吹干表面。
（3）制备预制涂层：
选用无水乙醇作为粘结剂，将AlMoTiMnCrZr高熵合金粉末混合成糊状，涂在预处理后的基板表面，然后将涂有AlMoTiMnCrZr高熵合金预制涂层的纯铜基板放入干燥箱中进行烘干，
（4）高熵合金涂层的熔覆处理：
对预置处理后的工件进行激光熔覆处理，采用惰性保护气体为氩气，激光功率P为1300W，扫描速度V为4mm/s，光斑直径D为3mm。
（5）熔覆工件的表面处理：
待激光熔覆完成后，冷却工件。使用角磨机和砂纸对熔覆层的表面进行打磨处理，使用抛光机对涂层抛光处理。
使用扫描电子显微镜观察制得的AlMoTiMnCrZr高熵合金粉末，如图1所示，为本发明实施例1中AlMoTiMnCrZr高熵合金粉末的形貌图。
使用线切割机，将样品切割为检测所需的尺寸，用砂纸磨光，使用抛光机抛光，对其进行了xrd测试结果如图2所示，其中FCC相含量为5%。
实施例2：
一种铜表面激光熔覆AlMoTiMnCrxZry高熵合金涂层的方法，包括以下步骤：
（1）AlMoTiMnCrxZry高熵合金粉末的制备：
将Al、Mo、Ti、Mn、Cr、Zr各金属块预先切割成小块，使用砂纸打磨去除材料表面的氧化层，用无水乙醇擦拭干净，用电子天平按等比例称量配比，Al、Mo、Ti、Mn和Cr具有相同的摩尔分数，Zr含量为0（x=1，y=0）。采用真空电弧熔炼设备反复熔炼金属块，使合金锭成分均匀。将得到的熔炼球压碎，用振动磨粉碎30秒，使用200目的筛网过筛颗粒，得到粒径大小小于74μm的AlMoTiMnCr高熵合金粉末。
（2）纯铜基体表面预处理：
选用纯铜为基板，基板尺寸为40×40×3mm，预处理包括用角磨机及砂纸打磨抛光，用无水乙醇清洗表面，最后吹干表面。
（3）制备预制涂层：
选用无水乙醇作为粘结剂，将AlMoTiMnCr高熵合金粉末混合成糊状，涂在预处理后的基板表面，然后将涂有AlMoTiMnCr高熵合金预制涂层的纯铜基板放入干燥箱中进行烘干。
（4）高熵合金涂层的熔覆处理：
对预置处理后的工件进行激光熔覆处理，采用惰性保护气体为氩气，激光功率P为1400W，扫描速度V为4mm/s，光斑直径D为3mm。
（5）熔覆工件的表面处理：
待激光熔覆完成后，冷却工件。使用角磨机和砂纸对熔覆层的表面进行打磨处理，使用抛光机对涂层抛光处理。
使用线切割机，将样品切割为检测所需的尺寸，用砂纸磨光，使用抛光机抛光，对其进行了xrd测试结果如图3所示，其中FCC相含量为15%。
实施例3：
一种铜表面激光熔覆AlMoTiMnCrxZry高熵合金涂层的方法，包括以下步骤：
（1）AlMoTiMnCrxZry高熵合金粉末的制备：
将Al、Mo、Ti、Mn、Cr、Zr各金属块预先切割成小块，使用砂纸打磨去除材料表面的氧化层，用无水乙醇擦拭干净，用电子天平按等比例称量配比Al、Mo、Ti、Mn和Zr具有相同的摩尔分数，Cr含量为0 （x=0，y=1）。采用真空电弧熔炼设备反复熔炼金属块，使合金锭成分均匀。将得到的熔炼球压碎，用振动磨粉碎30秒，使用200目的筛网过筛颗粒，得到粒径大小小于74μm的AlMoTiMnZr高熵合金粉末。
（2）纯铜基体表面预处理：
选用纯铜为基板，基板尺寸为40×40×3mm，预处理包括用角磨机及砂纸打磨抛光，用无水乙醇清洗表面，最后吹干表面。
（3）制备预制涂层：
选用无水乙醇作为粘结剂，将AlMoTiMnZr高熵合金粉末混合成糊状，涂在预处理后的基板表面，然后将涂有AlMoTiMnZr高熵合金预制涂层的纯铜基板放入干燥箱中进行烘干。
（4）高熵合金涂层的熔覆处理：
对预置处理后的工件进行激光熔覆处理，采采用惰性保护气体为氩气，激光功率P为1400W，扫描速度V为4mm/s，光斑直径D为3mm。
（5）熔覆工件的表面处理：
待激光熔覆完成后，冷却工件。使用角磨机和砂纸对熔覆层的表面进行打磨处理，使用抛光机对涂层抛光处理。
使用线切割机，将样品切割为检测所需的尺寸，用砂纸磨光，使用抛光机抛光，对其进行了xrd测试结果如图3所示，其中FCC相含量为20%。
实施例4：
一种铜表面激光熔覆AlMoTiMnCrxZry高熵合金涂层的方法，包括以下步骤：
（1）AlMoTiMnCrxZry高熵合金粉末的制备：
将Al、Mo、Ti、Mn、Cr、Zr各金属块预先切割成小块，使用砂纸打磨去除材料表面的氧化层，用无水乙醇擦拭干净，用电子天平按等比例称量配比，其中Al、Mo、Ti、Mn、Cr具有相同的摩尔分数，Zr的含量是Cr的2倍（x=1，y=2）。采用真空电弧熔炼设备反复熔炼金属块，使合金锭成分均匀。将得到的熔炼球压碎，用振动磨粉碎30秒。使用200目的筛网过筛颗粒，得到粒径大小小于74μm的AlMoTiMnCrZr2高熵合金粉末。
（2）纯铜基体表面预处理：
选用纯铜为基板，基板尺寸为40×40×3mm，预处理包括用角磨机及砂纸打磨抛光，用无水乙醇清洗表面，最后吹干表面。
（3）制备预制涂层：
选用无水乙醇作为粘结剂，将AlMoTiMnCrZr2高熵合金粉末混合成糊状，涂在预处理后的基板表面，然后将涂有AlMoTiMnCrZr2高熵合金预制涂层的纯铜基板放入干燥箱中进行烘干。
（4）高熵合金涂层的熔覆处理：
对预置处理后的工件进行激光熔覆处理，采用惰性保护气体为氩气，激光功率P为1400W，扫描速度V为5mm/s，光斑直径D为3mm。
（5）熔覆工件的表面处理：
待激光熔覆完成后，冷却工件。使用角磨机和砂纸对熔覆层的表面进行打磨处理，使用抛光机对涂层抛光处理。
实施例5：
一种铜表面激光熔覆AlMoTiMnCrxZry高熵合金涂层的方法，包括以下步骤：
（1）AlMoTiMnCrxZry高熵合金粉末的制备：
将Al、Mo、Ti、Mn、Cr、Zr各金属块预先切割成小块，使用砂纸打磨去除材料表面的氧化层，用无水乙醇擦拭干净，用电子天平按等比例称量配比，其中Al、Mo、Ti、Mn、Zr具有相同的摩尔分数，Cr的含量是Zr的2倍（x=2，y=1）。采用真空电弧熔炼设备反复熔炼金属块，使合金锭成分均匀。将得到的熔炼球压碎，用振动磨粉碎30秒。使用200目的筛网过筛颗粒，得到粒径大小小于74μm的AlMoTiMnCr2Zr高熵合金粉末。
（2）纯铜基体表面预处理：
选用纯铜为基板，基板尺寸为40×40×3mm，预处理包括用角磨机及砂纸打磨抛光，用无水乙醇清洗表面，最后吹干表面。
（3）制备预制涂层：
选用无水乙醇作为粘结剂，将AlMoTiMnCr2Zr高熵合金粉末混合成糊状，涂在预处理后的基板表面，然后将涂有AlMoTiMnCr2Zr高熵合金预制涂层的纯铜基板放入干燥箱中进行烘干。
（4）高熵合金涂层的熔覆处理：
对预置处理后的工件进行激光熔覆处理，采用惰性保护气体为氩气，激光功率P为1400W，扫描速度V为6mm/s，光斑直径D为3mm。
（5）熔覆工件的表面处理：
待激光熔覆完成后，冷却工件。使用角磨机和砂纸对熔覆层的表面进行打磨处理，使用抛光机对涂层抛光处理。
将实施例1-5制备的AlMoTiMnCrxZry高熵合金涂层的进行维氏硬度检测，检测结果如图5所示。由图5可以看出，各实施例制备的AlMoTiMnCrxZry高熵合金涂层硬度较激光熔覆前有明显的增强，越远离熔覆层表面强度越低，越靠近铜基体的硬度越低；同时，由图中可以看出实施例4制备的AlMoTiMnCrxZry高熵合金涂层的硬度最高，实施例5的硬度次之，说明元素Cr和Zr均对该种高熵合金的硬度有增强作用。
Claims (10)
1.一种铜表面激光熔覆高熵合金涂层的方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将Al、Mo、Ti、Mn、Cr、Zr金属块进行处理后通过电弧熔炼制备高熵合金锭，破碎筛选合适粒径大小的合金粉末；
（2）工件的准备，对纯铜基体表面进行预处理；
（3）在AlMoTiMnCrxZry高熵合金粉末中加入粘结剂混合成糊状，预置涂覆在清洁后的基体表面，然后将该工件放入干燥箱中烘干；
（4）利用光纤激光器，在氩气保护下选择适当的激光加工参数对预制涂层进行激光熔覆表面处理，然后打磨抛光。
2.根据权利要求1所述的一种铜表面激光熔覆高熵合金涂层的方法，其特征在于：步骤（1）中制备高熵合金锭过程中Al、Mo、Ti、Mn、Cr、Zr各元素的加入量按照相应的摩尔比进行选择。
3.根据权利要求1所述的一种铜表面激光熔覆高熵合金涂层的方法，其特征在于：所述工件尺寸为40mm×40mm×3mm，所述预处理包括对工件表面进行打磨抛光处理，用酒精擦拭表面，烘干处理。
4.根据权利要求1所述的一种铜表面激光熔覆高熵合金涂层的方法，其特征在于：步骤（1）中金属块的预处理包括将各金属块切割成小块，使用砂纸打磨去除其表面氧化层，用无水乙醇擦拭。
5.根据权利要求1所述的一种铜表面激光熔覆高熵合金涂层的方法，其特征在于：步骤（1）中熔覆粉末的制备过程包括：电弧熔炼得到合金铸锭，将合金铸锭经振动磨破碎，过筛网，得到AlMoTiMnCrxZry高熵合金粉末。
6.根据权利要求5所述的一种铜表面激光熔覆高熵合金涂层的方法，其特征在于：所述筛网为200目。
7.根据权利要求1所述的一种铜表面激光熔覆高熵合金涂层的方法，其特征在于：所述粘结剂为乙醇，所述AlMoTiMnCrxZry高熵合金涂层的预置厚度为1mm，干燥温度为60℃，干燥时间为4h。
8.根据权利要求1的一种铜表面激光熔覆高熵合金涂层的方法，其特征在于：激光功率P为1200~1400W，扫描速度V为4~6mm/s，光斑直径D为3mm。
9.根据权利要求1或2所述的一种铜表面激光熔覆高熵合金涂层的方法，其特征在于：所述的高熵合金中各元素的摩尔比为Al：Mo：Ti：Mn：Cr：Zr=1：1：1：1：1： 0-2。
10.根据权利要求1或2所述的一种铜表面激光熔覆高熵合金涂层的方法，其特征在于：所述的高熵合金中各元素的摩尔比为Al：Mo：Ti：Mn：Cr：Zr=1：1：1：1：0-2：1 。
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Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN114150203A (zh) * | 2021-11-10 | 2022-03-08 | 青岛理工大学 | 一种激光熔覆原位自生高熵合金梯度涂层及其制备方法 |
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