CN113699424A - 高熵合金材料、表面激光重熔方法和梯度高熵合金材料 - Google Patents

高熵合金材料、表面激光重熔方法和梯度高熵合金材料 Download PDF

Info

Publication number
CN113699424A
CN113699424A CN202111015959.9A CN202111015959A CN113699424A CN 113699424 A CN113699424 A CN 113699424A CN 202111015959 A CN202111015959 A CN 202111015959A CN 113699424 A CN113699424 A CN 113699424A
Authority
CN
China
Prior art keywords
entropy alloy
percent
laser
alloy material
sample
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202111015959.9A
Other languages
English (en)
Inventor
王逸飞
李珂
陈景润
陈德旭
龚瑞雪
张静
张艳
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jiangsu University of Science and Technology
Zhangjiagang Industrial Technology Research Institute of Jiangsu University of Science and Technology
Original Assignee
Jiangsu University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jiangsu University of Science and Technology filed Critical Jiangsu University of Science and Technology
Priority to CN202111015959.9A priority Critical patent/CN113699424A/zh
Publication of CN113699424A publication Critical patent/CN113699424A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C30/00—Alloys containing less than 50% by weight of each constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/02—Making non-ferrous alloys by melting
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F3/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by special physical methods, e.g. treatment with neutrons

Abstract

本文公开一种高熵合金材料、表面激光重熔方法和梯度高熵合金材料。其中高熵合金材料为CoCrFeMnNi合金，其形貌为单相面心立方结构；高熵合金各组分的原子百分比为：Co:5‑35at％，Cr:5‑35at％，Fe:5‑35at％，Mn:5‑35at％，Ni:5‑35at％，且各组分原子百分比总和为100at％。对CoCrFeMnNi高熵合金材料表面进行激光重熔处理，激光输出功率为500W‑2500W，得到了晶粒度由表面到中心逐渐增大的梯度高熵合金材料，从而大幅提高了CoCrFeMnNi高熵合金的表面硬度、表面耐磨性能和抗压强度。

Description

高熵合金材料、表面激光重熔方法和梯度高熵合金材料
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，具体而言，涉及高熵合金材料、表面激光重熔方法和梯度高熵合金材料。
背景技术
中国台湾学者叶筠蔚于2004年提出了高熵合金的设计理念，高熵合金是由 5种或5种以上元素按等摩尔比或近等摩尔比组成的多组分合金，各元素摩尔分数介于5％-35％之间。2004年，Cantor教授首次报道了单相面心立方结构的高熵合金CoCrFeMnNi，CoCrFeMnNi高熵合金具有优异的低温力学性能，但其在室温下强度很低，在一定程度上限制了它的应用，因此急需利用一种技术来大幅提高CoCrFeMnNi高熵合金的强度。
激光重熔技术就是用高能激光束将材料的表面熔化却无需添加任何的金属元素，从而达到改善表面组织的目的。激光重熔技术可以细化组织，消除合金表面气孔及裂纹。
CoCrFeMnNi系高熵合金的强度较低，在实际生活的运用中受到限制，为了让其获得优异的组织性能，完善激光表面处理对高熵合金微观组织、力学性能以及腐蚀性能的研究，使用不同的激光功率对其进行表面重熔来提高CoCrFeMnNi高熵合金的综合性能。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高熵合金材料、表面激光重熔方法和梯度高熵合金材料。
本发明是这样实现的:
本发明提供一种高熵合金材料，高熵合金为CoCrFeMnNi合金，其形貌为单相面心立方结构，高熵合金各组分的原子百分比为：Co:5-35at％， Cr:5-35at％，Fe:5-35at％，Mn:5-35at％，Ni:5-35at％，且各组分原子百分比总和为100at％。
本发明还提供一种根据上述的高熵合金材料的制备方法，其包括：选用高纯材料按照等摩尔比进行精确的称量配比，然后在真空条件下熔炼、退火，得到高熵合金材料。
本发明还提供一种高熵合金材料的表面激光重熔方法，其包括：使用激光器对高熵合金材料的表面进行激光辐照，形成激光重熔层。
本发明还提供一种根据以上的制备方法制备的梯度高熵合金材料。
本发明具有以下有益效果:
本发明提供一种高熵合金材料、表面激光重熔方法和梯度高熵合金材料，其中高熵合金为CoCrFeMnNi合金，其形貌为单相面心立方结构；高熵合金各组分的原子百分比为：Co:5-35at％，Cr:5-35at％，Fe:5-35at％， Mn:5-35at％，Ni:5-35at％，且各组分原子百分比总和为100at％。对 CoCrFeMnNi高熵合金材料表面进行激光重熔处理，激光输出功率为500W-2500W，得到了晶粒度由表面到中心逐渐变化的梯度高熵合金材料，铸态CoCrFeMnNi高熵合金的表面硬度由156HV提升到了174-204HV，抗压强度由2450MPa提升到了2480-3200MPa并且铸态CoCrFeMnNi高熵合金表面的平均摩擦系数由0.124变成了0.099-0.127，耐磨性能得到进一步提升。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是CoCrFeMnNi高熵合金铸态及在不同激光功率下激光重熔处理的XRD衍射图谱。
图2是铸态CoCrFeMnNi高熵合金以及不同激光功率下激光重熔处理后的蔡司显微镜图片，其中：(a)铸态，(b)500W，(c)1000W，(d)1500W， (e)2000W，(f)2500W。
图3是铸态CoCrFeMnNi高熵合金在不同激光功率下激光重熔处理后表面到心部的等轴晶晶粒尺寸分布图，其中：(a)500W，(b)1000W，(c)1500W， (d)2000W，(e)2500W。
图4是3000W激光重熔处理后试样表面和截面的形貌图片，其中：(a) 表面，(b)截面。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本发明的目的在于开发一种高熵合金材料、表面激光重熔方法和梯度高熵合金材料，尤其是提出采用不同激光重熔功率强化的CoCrFeMnNi高熵合金表面。从而实现高熵合金具有较高的强度以及良好的塑性。
为了达到上述目的，本发明实现目的所采取的技术方案是：
第一方面，本发明实施例提供一种高熵合金材料，高熵合金为CoCrFeMnNi合金，其形貌为单相面心立方结构；高熵合金各组分的原子百分比为：Co:5-35at％，Cr:5-35at％，Fe:5-35at％，Mn:5-35at％，Ni:5-35 at％，且各组分原子百分比总和为100at％。
进一步作为优选的方式，本发明实施例还提供一种五元等比高熵合金材料，按原子百分比由成分Co为20at％，Cr为20at％，Fe为20at％，Mn 为20at％，Ni为20at％组成。
第二方面，本发明实施例提供一种上述高熵合金材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)配料：按照质量百分比分别称量单质原料Co、Cr、Fe、Mn、Ni；
(2)熔炼：A、将步骤(1)称量好的单质原料Co、Cr、Fe、Mn、Ni放入真空悬浮熔炼炉内的水冷铜坩埚中；B、将真空悬浮熔炼炉炉门关闭，拧紧旋钮；C、将真空悬浮熔炼炉抽真空，使真空度达到5×10-5-5×10-3Pa； D、将合金反复熔炼5-8次，在不锈钢熔铸设备中进行真空熔铸，制得五元高熵合金铸锭。
(3)退火处理：五元高熵合金铸锭在1100-1300℃下进行退火处理，保温时间12-36h，取出进行水淬，得到均匀化处理的高熵合金试样。
进一步的，Co、Cr、Fe、Mn、Ni的纯度均为≧99％。
进一步的，Co、Cr、Fe、Mn、Ni的形态均为块状。
进一步的，熔炼时抽真空使真空度达到5×10-5Pa；将合金反复熔炼6 次，在不锈钢熔铸设备中进行真空熔铸，制得五元高熵合金铸锭，然后在 1200℃下进行退火处理，保温时间24h，取出然后取出水淬，得到均匀化处理的高熵合金试样。
第三方面，本发明实施例还提供一种上述梯高熵合金材料的表面激光重熔方法，包括以下步骤：
(1)使用SiC砂纸经退火处理后的CoCrFeMnNi高熵合金试样表面，去除氧化皮。
(2)将打磨后的CoCrFeMnNi高熵合金试样浸泡在无水乙醇中放入超声波清洗仪进行震荡清洗，去除表面油污。
(3)激光重熔处理：使用TruDisk 6002激光器在表面进行激光重熔处理，激光处理功率分别为500W、1000W、1500W、2000W、2500W、3000W，激光光斑直径d＝4mm，扫描速度v＝20mm/s。氩气充当保护气，保护气流量为15L·min-1。
第四方面，本发明实施例还提供一种根据上述的制备方法制备的梯度高熵合金材料。
作为优选的方式，激光重熔层的厚度为0.2mm-2.4mm，且重熔层表面无缺陷无裂纹。
作为优选的方式，梯度高熵合金为CoCrFeMnNi合金，其形貌为单相面心立方结构，其晶粒度由表面到中心逐渐增大，所述梯度高熵合金各组分的原子百分比为：Co:5-35at％，Cr:5-35at％，Fe:5-35at％，Mn:5-35 at％，Ni:5-35at％，且各组分原子百分比总和为100at％。
与现有技术相比，本发明的优点和有益效果主要是：
(1)在激光重熔过程中，激光可以将CoCrFeMnNi高熵合金表层熔化并再次凝固，在此过程中CoCrFeMnNi高熵合金表层存在的气孔与裂纹等缺陷会被消除。
(2)激光重熔得到的激光重熔层硬度较高，具有良好的耐磨性以及抗压强度。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
本发明以下实施例中，原材料来源、组分、制备和实验方法与对比例相同。
实施例1
本实施例铸态及在不同激光功率下激光重熔处理CoCrFeMnNi高熵合金的制备方法，具体步骤如下：
(1)配料：将高纯块状金属原材料(≥99％)按照质量百分比精确称量配比，供熔炼合金使用。
(2)熔炼：A、将步骤(1)称量好的单质原料Co、Cr、Fe、Mn、 Ni放入真空悬浮熔炼炉内的水冷铜坩埚中；B、将真空悬浮熔炼炉炉门关闭，拧紧旋钮；C、将真空悬浮熔炼炉抽真空，使真空度达到5×10-5Pa；D、将合金反复熔炼6次，在不锈钢熔铸设备中进行真空熔铸，制得五元高熵合金铸锭。
(3)退火处理：合金铸锭在1200℃下进行退火处理，保温时间24h，取出进行水淬。
(4)使用SiC砂纸经退火处理后的CoCrFeMnNi高熵合金表面，去除氧化皮。
(5)将打磨后的CoCrFeMnNi高熵合金浸泡在无水乙醇中放入超声波清洗仪进行震荡清洗，去除表面油污。
(6)激光重熔处理：使用TruDisk 6002激光器在铸锭表面进行激光重熔处理，激光处理功率为500W，激光光斑直径d＝4mm，扫描速度v＝20mm/s。
(7)氩气充当保护气，保护气流量为15L·min-1。
对本实施例制备得到的500W激光重熔处理CoCrFeMnNi进行组织结构表征及力学性能测试，结果如下：
(1)X射线衍射(XRD)测试及相组成分析
将激光表面重熔处理后的块状试样利用线切割机切出所需试样，使用 400#，800#，1000#，1500#，2000#的砂纸逐步打磨，试样抛光后酒精冲洗、吹干，从而获得一个光滑平整的平面以做XRD分析，扫描角度2θ范围为20-90°，扫描速度为40°/min。
(2)蔡司显微镜组织观察及分析
将激光表面重熔处理后的块状试样利用线切割机切出试验所需试样，利用胶木粉对重熔层截面及表面进行镶嵌，使用400#，800#，1000#，1500#， 2000#的砂纸逐步打磨。试样抛光后酒精冲洗，使用王水腐蚀试样表面，腐蚀后的试样使用蔡司显微镜进行组织观察。
(3)合金压缩实验
采用线切割机器将样品加工成圆柱形试样，圆柱上下表面为进行过激光重熔的表面，圆柱试样尺寸为直径5mm，高10mm，压缩之前试样表面用砂纸打磨至水平。若两端不水平，在压缩过程中将会产生误差，影响试验结果。在室温下通过KRYAW-300C压力试验机对其进行压缩，使样品高度变形90％，通过仪器自带软件获得其应力-应变曲线。
(4)合金硬度测试
将合金线切割成一定长度的圆棒，然后对其进行镶嵌，镶嵌后用用100# 砂纸粗磨之后，再用不同粒度的碳化硅砂纸(按400#、800#、1000#、1500# 顺序)将试样表面磨平并抛光。使用维氏显微硬度计来测量合金硬度，本实验中选取的载荷为3N，载荷保持时间15s，卸载后读取硬度值。每个试样测量10组硬度值并记录，计算平均值。
(5)摩擦磨损性能测试
使用线切割机将样品加工成尺寸为10mm×10mm×5mm的块状试样，用不同粒度的碳化硅砂纸(按400#、800#、1000#、1500#顺序)将试样表面磨平并抛光。采用MFT-4000型多功能材料表面性能试验仪进行摩擦磨损测试，对试样表面进行恒载往复摩擦，加载载荷为15N，速度 100mm/min，磨痕长度5mm，随后对其进行磨损量分析。
500W激光重熔处理后CoCrFeMnNi高熵合金表面的平均摩擦系数为 0.124，相应的高熵合金处理层磨损量为0.00328mm3。
实施例2
本实施例的铸态及在不同激光功率下激光重熔处理CoCrFeMnNi高熵合金的制备方法，具体步骤如下：
(1)配料：将高纯块状金属原材料(≥99％)按照质量百分比精确称量配比，供熔炼合金使用。
(2)熔炼：A、将步骤(1)称量好的单质原料Co、Cr、Fe、Mn、 Ni放入真空悬浮熔炼炉内的水冷铜坩埚中；B、将真空悬浮熔炼炉炉门关闭，拧紧旋钮；C、将真空悬浮熔炼炉抽真空，使真空度达到5×10-5Pa；D、将合金反复熔炼6次，在不锈钢熔铸设备中进行真空熔铸，制得五元高熵合金铸锭。
(3)退火处理：合金铸锭在1200℃下进行退火处理，保温时间24h，取出进行水淬。
(4)使用SiC砂纸经退火处理后的CoCrFeMnNi高熵合金表面，去除氧化皮。
(5)将打磨后的CoCrFeMnNi高熵合金浸泡在无水乙醇中放入超声波清洗仪进行震荡清洗，去除表面油污。
(6)激光重熔处理：使用TruDisk 6002激光器在铸锭表面进行激光重熔处理，激光处理功率分别为1000W，激光光斑直径d＝4mm，扫描速度 v＝20mm/s。
(7)氩气充当保护气，保护气流量为15L·min-1。
对本实施例制备得到的1000W激光重熔处理CoCrFeMnNi进行组织结构表征及力学性能测试，结果如下：
(1)X射线衍射(XRD)测试及相组成分析
将激光表面重熔处理后的块状试样利用线切割机切出所需试样，使用 400#，800#，1000#，1500#，2000#的砂纸逐步打磨，试样抛光后酒精冲洗、吹干，从而获得一个光滑平整的平面以做XRD分析，扫描角度2θ范围为 20-90°，扫描速度为40°/min。
(2)蔡司显微镜组织观察及分析
将激光表面重熔处理后的块状试样利用线切割机切出试验所需试样，利用胶木粉对重熔层截面及表面进行镶嵌，使用400#，800#，1000#，1500#， 2000#的砂纸逐步打磨。试样抛光后酒精冲洗，使用王水腐蚀试样表面，腐蚀后的试样使用蔡司显微镜进行组织观察。
(3)合金压缩实验
采用线切割机器将样品加工成圆柱形试样，圆柱上下表面为进行过激光重熔的表面，圆柱试样尺寸为直径5mm，高10mm，压缩之前试样表面用砂纸打磨至水平。若两端不水平，在压缩过程中将会产生误差，影响试验结果。在室温下通过KRYAW-300C压力试验机对其进行压缩，使样品高度变形90％，通过仪器自带软件获得其应力-应变曲线。
(4)合金硬度测试
将合金线切割成一定长度的圆棒，然后对其进行镶嵌，镶嵌后用用100# 砂纸粗磨之后，再用不同粒度的碳化硅砂纸(按400#、800#、1000#、1500# 顺序)将试样表面磨平并抛光。使用维氏显微硬度计来测量合金硬度，本实验中选取的载荷为3N，载荷保持时间15s，卸载后读取硬度值。每个试样测量10组硬度值并记录，计算平均值。
(5)摩擦磨损性能测试
使用线切割机将样品加工成尺寸为10mm×10mm×5mm的块状试样，用不同粒度的碳化硅砂纸(按400#、800#、1000#、1500#顺序)将试样表面磨平并抛光。采用MFT-4000型多功能材料表面性能试验仪进行摩擦磨损测试，对试样表面进行恒载往复摩擦，加载载荷为15N，速度 100mm/min，磨痕长度5mm，随后对其进行磨损量分析。
1000W激光重熔处理后CoCrFeMnNi高熵合金表面的平均摩擦系数最小，为0.099，相应的高熵合金处理层磨损量也最小，为0.00127mm3。这表明经过1000W激光重熔处理后的CoCrFeMnNi高熵合金表面摩擦磨损性能最好。
实施例3
本实施例的铸态及1500W激光重熔处理CoCrFeMnNi高熵合金的制备方法，具体步骤如下：
(1)配料：将高纯块状金属原材料(≥99％)按照质量百分比精确称量配比，供熔炼合金使用。
(2)熔炼：A、将步骤(1)称量好的单质原料Co、Cr、Fe、Mn、 Ni放入真空悬浮熔炼炉内的水冷铜坩埚中；B、将真空悬浮熔炼炉炉门关闭，拧紧旋钮；C、将真空悬浮熔炼炉抽真空，使真空度达到5×10-5Pa；D、将合金反复熔炼6次，在不锈钢熔铸设备中进行真空熔铸，制得五元高熵合金铸锭。
(3)退火处理：合金铸锭在1200℃下进行退火处理，保温时间24h，取出进行水淬。
(4)使用SiC砂纸经退火处理后的CoCrFeMnNi高熵合金表面，去除氧化皮。
(5)将打磨后的CoCrFeMnNi高熵合金浸泡在无水乙醇中放入超声波清洗仪进行震荡清洗，去除表面油污。
(6)激光重熔处理：使用TruDisk 6002激光器在铸锭表面进行激光重熔处理，激光处理功率为1500W，激光光斑直径d＝4mm，扫描速度 v＝20mm/s。
(7)氩气充当保护气，保护气流量为15L·min-1。
对本实施例制备得到的1500W激光重熔处理CoCrFeMnNi进行组织结构表征及力学性能测试，结果如下：
(1)X射线衍射(XRD)测试及相组成分析
将激光表面重熔处理后的块状试样利用线切割机切出所需试样，使用 400#，800#，1000#，1500#，2000#的砂纸逐步打磨，试样抛光后酒精冲洗、吹干，从而获得一个光滑平整的平面以做XRD分析，扫描角度2θ范围为 20-90°，扫描速度为40°/min。
(2)蔡司显微镜组织观察及分析
将激光表面重熔处理后的块状试样利用线切割机切出试验所需试样，利用胶木粉对重熔层截面及表面进行镶嵌，使用400#，800#，1000#，1500#， 2000#的砂纸逐步打磨。试样抛光后酒精冲洗，使用王水腐蚀试样表面，腐蚀后的试样使用蔡司显微镜进行组织观察。
(3)合金压缩实验
采用线切割机器将样品加工成圆柱形试样，圆柱上下表面为进行过激光重熔的表面，圆柱试样尺寸为直径5mm，高10mm，压缩之前试样表面用砂纸打磨至水平。若两端不水平，在压缩过程中将会产生误差，影响试验结果。在室温下通过KRYAW-300C压力试验机对其进行压缩，使样品高度变形90％，通过仪器自带软件获得其应力-应变曲线。
(4)合金硬度测试
将合金线切割成一定长度的圆棒，然后对其进行镶嵌，镶嵌后用用100# 砂纸粗磨之后，再用不同粒度的碳化硅砂纸(按400#、800#、1000#、1500# 顺序)将试样表面磨平并抛光。使用维氏显微硬度计来测量合金硬度，本实验中选取的载荷为3N，载荷保持时间15s，卸载后读取硬度值。每个试样测量10组硬度值并记录，计算平均值。
(5)摩擦磨损性能测试
使用线切割机将样品加工成尺寸为10mm×10mm×5mm的块状试样，用不同粒度的碳化硅砂纸(按400#、800#、1000#、1500#顺序)将试样表面磨平并抛光。采用MFT-4000型多功能材料表面性能试验仪进行摩擦磨损测试，对试样表面进行恒载往复摩擦，加载载荷为15N，速度 100mm/min，磨痕长度5mm，随后对其进行磨损量分析。
1500W激光重熔处理后CoCrFeMnNi高熵合金表面的平均摩擦系数为 0.115，相应的高熵合金处理层磨损量为0.0083mm3。
图1是CoCrFeMnNi高熵合金铸态及在不同激光功率下激光重熔处理的XRD衍射图谱，由图1可知，五种不同激光功率重熔下的高熵合金以及未处理的铸态高熵合金的固溶相都很简单，为单一的FCC相，均由三个衍射峰构成，分别为(111)、(200)以及(220)构成。其中最高峰的相(111)FCC相在2θ≈43°时出现，而(200)FCC相和(220)FCC相在2θ≈51°和2θ≈75°时出现。随着激光功率的增加，并没有出现新的衍射峰，即激光功率的改变并未使得合金产生新相，由此可得知梯度高熵合金具有良好的热稳定性。
图2是铸态CoCrFeMnNi高熵合金以及不同激光功率下激光重熔处理后的蔡司显微镜图片。由图2中a图可知，铸态CoCrFeMnNi高熵合金的晶粒为粗大等轴晶，且显微镜下观察到铸造缺陷较多，晶粒尺寸约为 200μm。500W功率下激光重熔后，合金一侧表面形成一层厚度约为240μm 的重熔层，如图2中b图所示。随着激光功率的增大，表面重熔区厚度逐渐增大，当激光重熔功率为1000W、1500W、2000W和2500w时，表面重熔层厚度分别为790μm、1300μm、1500μm和2400μm。重熔层由于激光熔化后，快速凝固，晶粒尺寸明显细化。但随着激光功率的增大，重熔层厚度增加，重熔层内的树枝晶体积分数逐渐增大。晶粒尺寸变化如图3所示。
图3是铸态CoCrFeMnNi高熵合金在不同激光功率下激光重熔处理后表面到心部的等轴晶晶粒尺寸分布图。500W激光表面重熔处理后，重熔层的等轴晶粒尺寸为6μm，热影响区的等轴晶粒尺寸为10μm，中心基材区的等轴晶粒尺寸为253μm(图3中a图)。1000W激光表面重熔处理后，重熔层的等轴晶粒尺寸为5.5μm，热影响区的等轴晶粒尺寸为7.5μm，中心基材区的等轴晶粒尺寸为255um(图3中b图)。1500W激光表面重熔处理后，重熔层的等轴晶粒尺寸为4μm，热影响区的等轴晶粒尺寸为7.5μm，中心基材区的等轴晶粒尺寸为245μm(图3中c图)。2000W激光表面重熔处理后，重熔层的等轴晶粒尺寸为3μm，热影响区的等轴晶粒尺寸为6μm，中心基材区的等轴晶粒尺寸为250μm(图3中d图)。2500W激光表面重熔处理后，重熔层的等轴晶粒尺寸为2μm，热影响区的等轴晶粒尺寸为5.3μm，中心基材区的等轴晶粒尺寸为268μm(图3中e图)。
图4是3000W激光重熔处理后试样表面和截面的形貌图。由图4可知，激光功率为3000W时，由于输出功率太高，试样大面积重熔，重熔层厚度为3.5mm，导致试样表面粗糙度过大(图4中a图)，并且发生弯曲变形(图4 中b图)。因此本发明500-2500W在本发明限定范围内效果最好。
以下表1为铸态及不同激光重熔功率合金的力学性能结果。
表1铸态及不同激光重熔功率合金的力学性能结果
Figure BDA0003239805870000141
由表1可以看出，经激光表面熔凝处理后，铸态CoCrFeMnNi高熵合金的表面硬度由156.7HV提升到了174.3-204.1HV，表面硬度随激光功率增大而增大，2500W时高熵合金表面硬度最大。在压缩测试中，各样品均未发生断裂，表明式样具有良好的塑性。铸态CoCrFeMnNi高熵合金的抗压强度由2450MPa提升到了2480-3200MPa，这是由于随激光功率增大硬质重熔层的厚度变大，导致抗压强度提高。激光功率为500W时，硬质重熔层的厚度仅为0.2mm，对抗压强度的提升作用十分有限，激光功率为2500W 时，硬质重熔层的厚度为2.4mm，抗压强度高达3200MPa，相对于铸态 CoCrFeMnNi高熵合金的抗压强度提升了30.6％。铸态CoCrFeMnNi高熵合金表面的平均摩擦系数由0.124变成了0.099-0.127，激光功率为1000W时，重熔层表面的平均摩擦系数和磨损量最小，耐磨性能最好。激光功率为3000W时，由于输出功率太高，试样大面积重熔，导致试样变形。重熔层内部存在明显的缺陷，表面粗糙度大，试样的耐磨性能降低。
综上，本发明实施例提供一种高熵合金材料、表面激光重熔方法和梯度高熵合金材料，其中高熵合金为CoCrFeMnNi合金，其形貌为单相面心立方结构；高熵合金各组分的原子百分比为：Co:5-35at％，Cr:5-35at％，Fe:5-35at％，Mn:5-35at％，Ni:5-35at％，且各组分原子百分比总和为100 at％。对CoCrFeMnNi高熵合金材料表面进行激光重熔处理，激光输出功率为500W-2500W，得到了晶粒度由表面到中心逐渐变化的梯度高熵合金材料，从而大幅提高了CoCrFeMnNi高熵合金的表面硬度、表面耐磨性能和抗压强度。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高熵合金材料，其特征在于，所述高熵合金为CoCrFeMnNi合金，其形貌为单相面心立方结构，所述高熵合金各组分的原子百分比为：Co:5-35at％，Cr:5-35at％，Fe:5-35at％，Mn:5-35at％，Ni:5-35at％，且各组分原子百分比总和为100at％。
2.根据权利要求1所述的高熵合金材料，其特征在于，所述高熵合金材料为五元等比高熵合金材料，按原子百分比由成分Co为20at％，Cr为20at％，Fe为20at％，Mn为20at％，Ni为20at％。
3.一种根据权利要求1或2所述的高熵合金材料的制备方法，其特征在于，其包括：选用高纯材料按照等摩尔比进行精确的称量配比，然后在真空条件下熔炼、退火，得到所述高熵合金材料。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
熔炼：按照质量百分比，将称量好的单质原料Co、Cr、Fe、Mn、Ni放入真空悬浮熔炼炉内的水冷铜坩埚中；将真空悬浮熔炼炉炉门关闭，拧紧旋钮；将真空悬浮熔炼炉抽真空，使真空度达到5×10-5-5×10-3Pa；将合金反复熔炼5-8次，在不锈钢熔铸设备中进行真空熔铸，制得厚度为10mm的高熵合金铸锭；
退火：将所得高熵合金铸锭在1100-1300℃下进行退火处理，保温时间12-36h，取出然后取出水淬，得到均匀化处理的高熵合金试样。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，熔炼所选用的Fe、Co、Ni、Cr和Mn元素的形态为块体，且单质小块各自的纯度≥99.99at％，熔炼时抽真空使真空度达到5×10- 5Pa；将合金反复熔炼6次，在不锈钢熔铸设备中进行真空熔铸，制得厚度为10mm的梯度高熵合金铸锭，然后将所得高熵合金铸锭在1200℃下进行退火处理，保温时间24h，取出然后取出水淬，得到均匀化处理的高熵合金试样。
6.一种高熵合金材料的表面激光重熔方法，其特征在于，其包括：使用激光器对所述高熵合金材料的表面进行激光辐照，形成激光重熔层，其中，所述高熵合金材料采用权利要求1-2中任一项所述的高熵合金试样或权利要求3-5中任一项所述的制备方法制备的高熵合金试样。
7.根据权利要求6所述的表面激光重熔方法，其特征在于，包括以下步骤：将所述高熵合金材料表面清洗处理后，再使用激光器对所述高熵合金材料的表面进行激光辐照，形成激光重熔层；
优选地，所述清洗处理包括以下步骤：首先使用SiC砂纸经退火处理后的所述高熵合金试样表面，去除氧化皮；然后将打磨后的所述高熵合金试样浸泡在无水乙醇中放入超声波清洗仪进行震荡清洗，去除表面油污；
优选地，所述激光辐照包括以下步骤：采用TruDisk 6002激光器，激光器的输出功率为500W-3000W，激光光斑直径为2-4mm，扫描速度为10-20mm/s，氩气充当保护气，气流为10-15L·min-1。
8.一种根据权利要求6-7中任一项所述的制备方法制备的梯度高熵合金材料。
9.根据权利要求8所述的梯度高熵合金材料，其特征在于，所述激光重熔层的厚度为0.2mm-2.4mm，且重熔层表面无缺陷无裂纹。
10.根据权利要求9所述的梯度高熵合金材料，其特征在于，其特征在于，所述梯度高熵合金为CoCrFeMnNi合金，其形貌为单相面心立方结构，其晶粒度由表面到中心逐渐增大，所述梯度高熵合金各组分的原子百分比为：Co:5-35at％，Cr:5-35at％，Fe:5-35at％，Mn:5-35at％，Ni:5-35at％，且各组分原子百分比总和为100at％。
CN202111015959.9A 2021-08-31 2021-08-31 高熵合金材料、表面激光重熔方法和梯度高熵合金材料 Pending CN113699424A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111015959.9A CN113699424A (zh) 2021-08-31 2021-08-31 高熵合金材料、表面激光重熔方法和梯度高熵合金材料

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111015959.9A CN113699424A (zh) 2021-08-31 2021-08-31 高熵合金材料、表面激光重熔方法和梯度高熵合金材料

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN113699424A true CN113699424A (zh) 2021-11-26

Family

ID=78658267

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111015959.9A Pending CN113699424A (zh) 2021-08-31 2021-08-31 高熵合金材料、表面激光重熔方法和梯度高熵合金材料

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113699424A (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114703414A (zh) * 2022-04-07 2022-07-05 张家港江苏科技大学产业技术研究院 一种高熵合金材料的表面激光重熔方法及所得的梯度高熵合金材料
CN114921671A (zh) * 2022-05-11 2022-08-19 东北大学 一种大尺寸CoCrFeMnNi高熵合金的制备方法
CN115341127A (zh) * 2022-09-20 2022-11-15 中国科学院兰州化学物理研究所 一种自润滑高熵合金及其制备方法和应用
CN115537629A (zh) * 2022-09-22 2022-12-30 北京科技大学 一种耐酸腐蚀的增材制造高熵合金及其制备方法

Citations (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101775474A (zh) * 2010-03-18 2010-07-14 唐山瑞兆激光技术机械修复有限公司 激光宽带熔凝强化金属筛板的方法
CN102560054A (zh) * 2011-12-21 2012-07-11 中国科学院金属研究所 一种激光热处理强化工艺
CN105349735A (zh) * 2015-10-19 2016-02-24 无锡清杨机械制造有限公司 一种激光熔凝工艺
CN106119663A (zh) * 2016-08-16 2016-11-16 安徽瑞泰新材料科技有限公司 水泥回转窑上过渡带内表面用合金粉体、制备及其涂层
CN106222582A (zh) * 2016-09-14 2016-12-14 北京航空航天大学 一种提高轴承钢表面耐腐蚀性的方法
CN108103381A (zh) * 2018-01-25 2018-06-01 华南理工大学 一种高强度FeCoNiCrMn高熵合金及其制备方法
CN108179343A (zh) * 2017-12-28 2018-06-19 上海交通大学 一种超细晶高熵合金的制备方法
CN108411132A (zh) * 2018-05-04 2018-08-17 广西大学 一种磁悬浮真空熔炼FeMnNiCoCr高熵合金的制备方法
CN108660354A (zh) * 2018-08-20 2018-10-16 太原理工大学 一种Fe-Mn-Cr-Ni系高熵不锈钢及其制备方法
CN109439995A (zh) * 2018-12-29 2019-03-08 宝钢轧辊科技有限责任公司 高熵非晶合金涂层及其制备方法
CN109955004A (zh) * 2019-04-30 2019-07-02 上海交通大学 一种用于焊接的高熵合金材料及应用
CN109989059A (zh) * 2019-03-06 2019-07-09 莆田学院 一种TiBw-Ti复合层及其激光原位制备方法
CN110000515A (zh) * 2019-05-24 2019-07-12 中国矿业大学 一种高熵合金CoCrCuFeNi激光重铸层及其制备方法
CN110004348A (zh) * 2019-02-13 2019-07-12 昆明理工大学 一种石墨烯增强高熵合金复合材料及其制备方法
CN110373557A (zh) * 2019-04-26 2019-10-25 中国科学院金属研究所 一种提高高熵合金自钝化能力和抗均匀腐蚀能力的方法
CN111155082A (zh) * 2020-01-16 2020-05-15 天津大学 一种FeCoNiCrMn高熵合金涂层的制备方法
CN112195463A (zh) * 2020-07-31 2021-01-08 中北大学 一种激光熔覆AlCoCrFeNi/NbC梯度高熵合金涂层材料及方法
CN112553564A (zh) * 2020-09-10 2021-03-26 广东省智能制造研究所 一种进一步提高高熵合金涂层耐磨性的方法
CN113122841A (zh) * 2021-04-25 2021-07-16 中国海洋大学 一种具有梯度组合结构的耐蚀耐磨涂层及其制备方法
CN113151764A (zh) * 2021-03-18 2021-07-23 江苏大学 一种提高AlxCoCrFeNi高熵合金高温服役性能的方法
US20210260704A1 (en) * 2020-02-24 2021-08-26 Honda Motor Co., Ltd. Multi component solid solution high-entropy alloys

Patent Citations (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101775474A (zh) * 2010-03-18 2010-07-14 唐山瑞兆激光技术机械修复有限公司 激光宽带熔凝强化金属筛板的方法
CN102560054A (zh) * 2011-12-21 2012-07-11 中国科学院金属研究所 一种激光热处理强化工艺
CN105349735A (zh) * 2015-10-19 2016-02-24 无锡清杨机械制造有限公司 一种激光熔凝工艺
CN106119663A (zh) * 2016-08-16 2016-11-16 安徽瑞泰新材料科技有限公司 水泥回转窑上过渡带内表面用合金粉体、制备及其涂层
CN106222582A (zh) * 2016-09-14 2016-12-14 北京航空航天大学 一种提高轴承钢表面耐腐蚀性的方法
CN108179343A (zh) * 2017-12-28 2018-06-19 上海交通大学 一种超细晶高熵合金的制备方法
CN108103381A (zh) * 2018-01-25 2018-06-01 华南理工大学 一种高强度FeCoNiCrMn高熵合金及其制备方法
CN108411132A (zh) * 2018-05-04 2018-08-17 广西大学 一种磁悬浮真空熔炼FeMnNiCoCr高熵合金的制备方法
CN108660354A (zh) * 2018-08-20 2018-10-16 太原理工大学 一种Fe-Mn-Cr-Ni系高熵不锈钢及其制备方法
CN109439995A (zh) * 2018-12-29 2019-03-08 宝钢轧辊科技有限责任公司 高熵非晶合金涂层及其制备方法
CN110004348A (zh) * 2019-02-13 2019-07-12 昆明理工大学 一种石墨烯增强高熵合金复合材料及其制备方法
CN109989059A (zh) * 2019-03-06 2019-07-09 莆田学院 一种TiBw-Ti复合层及其激光原位制备方法
CN110373557A (zh) * 2019-04-26 2019-10-25 中国科学院金属研究所 一种提高高熵合金自钝化能力和抗均匀腐蚀能力的方法
CN109955004A (zh) * 2019-04-30 2019-07-02 上海交通大学 一种用于焊接的高熵合金材料及应用
CN110000515A (zh) * 2019-05-24 2019-07-12 中国矿业大学 一种高熵合金CoCrCuFeNi激光重铸层及其制备方法
CN111155082A (zh) * 2020-01-16 2020-05-15 天津大学 一种FeCoNiCrMn高熵合金涂层的制备方法
US20210260704A1 (en) * 2020-02-24 2021-08-26 Honda Motor Co., Ltd. Multi component solid solution high-entropy alloys
CN112195463A (zh) * 2020-07-31 2021-01-08 中北大学 一种激光熔覆AlCoCrFeNi/NbC梯度高熵合金涂层材料及方法
CN112553564A (zh) * 2020-09-10 2021-03-26 广东省智能制造研究所 一种进一步提高高熵合金涂层耐磨性的方法
CN113151764A (zh) * 2021-03-18 2021-07-23 江苏大学 一种提高AlxCoCrFeNi高熵合金高温服役性能的方法
CN113122841A (zh) * 2021-04-25 2021-07-16 中国海洋大学 一种具有梯度组合结构的耐蚀耐磨涂层及其制备方法

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114703414A (zh) * 2022-04-07 2022-07-05 张家港江苏科技大学产业技术研究院 一种高熵合金材料的表面激光重熔方法及所得的梯度高熵合金材料
CN114921671A (zh) * 2022-05-11 2022-08-19 东北大学 一种大尺寸CoCrFeMnNi高熵合金的制备方法
CN115341127A (zh) * 2022-09-20 2022-11-15 中国科学院兰州化学物理研究所 一种自润滑高熵合金及其制备方法和应用
CN115341127B (zh) * 2022-09-20 2023-12-15 中国科学院兰州化学物理研究所 一种自润滑高熵合金及其制备方法和应用
CN115537629A (zh) * 2022-09-22 2022-12-30 北京科技大学 一种耐酸腐蚀的增材制造高熵合金及其制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113699424A (zh) 高熵合金材料、表面激光重熔方法和梯度高熵合金材料
Liu et al. The microstructure evolution and properties of a Cu–Cr–Ag alloy during thermal-mechanical treatment
JP2004532785A (ja) 等方性黒鉛製鋳型を用いた合金鋳物
CN110438387B (zh) 硅化物析出强化难熔高熵合金及其制备方法
CN109594002B (zh) 一种多主元中熵合金及其制备方法
KR20180009685A (ko) 구리 합금의 제조 방법 및 구리 합금
CN111809095B (zh) 一种高性能难熔高熵合金及其制备方法
CN111270172B (zh) 利用分级深冷处理提升高熵合金性能的方法
CN111593250B (zh) 一种l12型析出强化高熵合金及其制备方法
CN111690863B (zh) 一种高硬度Cr-Cu-Fe-Ni-V高熵合金及其制备方法
CN111676410B (zh) 一种高强高韧CoFeNiTiV高熵合金及其制备方法
CN112553517B (zh) 一种耐磨CrMoNiTaHfW高熵合金制备方法与工艺
Guo et al. Microstructure and properties of Mo-Si-B alloy fabricated via novel technology: Plasma Oscillatory Pressure Sintering
JP5416091B2 (ja) ベリリウム銅鍛造バルク体
CN113278861A (zh) 一种具有纳米相析出的高强度、高塑性的高熵合金及其制备方法
JPH05247638A (ja) スパッタリング用ターゲットおよびその製造方法
CN110923481A (zh) 非晶薄膜/高熵合金复合材料及其制备方法
JP2008266688A (ja) Ｍｎ−Ｃｕ系制振合金及びその製造方法
CN108277418B (zh) MoNbTaTiHf高熵合金材料及其制备方法
CN114774752B (zh) 一种高强高韧TiZrNbMoV难熔高熵合金及其制备方法
JP2012201930A (ja) モリブデン材
CN115584425A (zh) 一种高硬度高耐磨的高熵合金涂层及其制备方法
CN108893655A (zh) 一种高强耐腐蚀钛合金及其制备方法
CN114703414A (zh) 一种高熵合金材料的表面激光重熔方法及所得的梯度高熵合金材料
Tao et al. Effect of surface roughness on plasticity of Zr52. 5Cu17. 9Ni14. 6Al10Ti5 bulk metallic glass

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20211126

RJ01 Rejection of invention patent application after publication