CN114147215A - 一种用于超高速激光熔覆的碳化钨增强高熵合金复合粉末及其涂层和制备方法与应用 - Google Patents

一种用于超高速激光熔覆的碳化钨增强高熵合金复合粉末及其涂层和制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于超高速激光熔覆的碳化钨增强高熵合金复合粉末及其涂层和制备方法与应用，属于材料技术领域。该碳化钨增强高熵合金复合粉末的原料包括碳化钨陶瓷粉末和高熵合金粉末；碳化钨陶瓷粉末的占比为55‑65wt.％，高熵合金粉末中含23‑27％Fe、23‑27％Co、23‑27％Ni及23‑27％Cr。上述复合粉末可有效避免现有技术中碳化钨陶瓷粉末含量超过30wt.％后，经超高速激光熔覆处理极易导致涂层开裂的问题。所得的涂层与基体冶金结合，无裂纹，涂层具有优异的抗裂、耐高温、耐磨损及耐腐蚀性能，制备效率高，对基体热影响小，可用于极端工况服役的海工装备、矿山机械等零部件的表面防护和再制造。

Description

一种用于超高速激光熔覆的碳化钨增强高熵合金复合粉末及 其涂层和制备方法与应用
技术领域
本发明涉及材料技术领域，具体而言，涉及一种用于超高速激光熔覆的碳化钨增强高熵合金复合粉末及其涂层和制备方法与应用。
背景技术
2017年德国弗劳恩霍夫激光技术研究所和亚琛工业大学的研究者全球首次开发出了一种基于激光热源的新型表面涂层技术-超高速激光熔覆技术，其特殊的熔凝方式有别于传统激光熔覆技术。超高速激光熔覆沉积速率可以提高至20-500m/min，是传统激光熔覆的100-250倍，沉积效能也由传统激光熔覆的50cm2/min提升至500cm2/min，整体加工效率提高了3-5倍。超高速激光熔覆涂层更为光滑，表面粗糙度可降至传统激光熔覆涂层的1/10，后续机加工步骤显著减少。超高速激光熔覆因高效率、高性能、绿色节能环保，较大可能成为传统涂层技术的革命性替代技术，为极端工况服役的海工装备、矿山机械等零部件的表面防护和再制造提供一种低成本、长寿命的有效保护手段。
激光熔覆用的原材料通常以粉、丝、板的形式加入，其中以粉末的形式最为常用。目前，国内外已开发大量激光熔覆专用粉末原材料，但是超高速激光熔覆专用原材料较少。碳化钨增强金属基复合粉末是激光熔覆常用的原材料，制备的涂层具有耐磨耐蚀抗高温等优异性能，具有广阔的应用市场，但碳化钨含量超过30wt.％后，涂层极易开裂，直接影响涂层性能。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种用于超高速激光熔覆的碳化钨增强高熵合金复合粉末，其能够有效避免现有技术中当碳化钨陶瓷粉末含量超过30wt.％后，经超高速激光熔覆处理极易导致涂层开裂的问题。
本发明的目的之二在于提供一种上述碳化钨增强高熵合金复合粉末的制备方法。
本发明的目的之三在于提供一种由上述碳化钨增强高熵合金复合粉末制备而得的碳化钨增强高熵合金涂层。
本发明的目的之四在于提供一种上述碳化钨增强高熵合金涂层的制备方法。
本发明的目的之五在于提供一种表面具有上述碳化钨增强高熵合金涂层的零部件。
本申请可这样实现：
第一方面，本申请提供一种用于超高速激光熔覆的碳化钨增强高熵合金复合粉末，其原料包括碳化钨陶瓷粉末和高熵合金粉末；
其中，碳化钨陶瓷粉末在碳化钨增强高熵合金复合粉末中的质量百分数为45-65％；
高熵合金粉末由铁粉、钴粉、镍粉以及铬粉组成；以原子百分数计，高熵合金粉末中含有23-27％的Fe、23-27％的Co、23-27％的Ni以及23-27％的Cr。
在可选的实施方式中，碳化钨陶瓷粉末在碳化钨增强高熵合金复合粉末中的质量百分数为55-65％。
在可选的实施方式中，碳化钨陶瓷粉末的球形度≥90％，粒度分布范围45-65μm。
在可选的实施方式中，高熵合金粉末的球形度≥90％，粒度分布范围15-85μm，D50为45-65μm，流动性为15-20s/50g。
在可选的实施方式中，高熵合金粉末中各金属粉末的纯度均大于99.7％。
第二方面，本申请提供如前述实施方式任一项的碳化钨增强高熵合金复合粉末的制备方法，包括以下步骤：按配比混合碳化钨陶瓷粉末和高熵合金粉末。
在可选的实施方式中，混合采用球磨方式进行。
在可选的实施方式中，球磨过程中不添加磨球。
在可选的实施方式中，球磨时间为30-60min。
第三方面，本申请提供一种碳化钨增强高熵合金涂层，其由前述实施方式任一项的碳化钨增强高熵合金复合粉末经超高速激光熔覆方式沉积于基体表面而得。
在可选的实施方式中，碳化钨增强高熵合金涂层的厚度为1-3mm。
在可选的实施方式中，碳化钨增强高熵合金涂层中具有FCC固溶体相。
第四方面，本申请提供一种前述碳化钨增强高熵合金涂层的制备方法，包括以下步骤：采用超高速激光熔覆方式，将上述碳化钨增强高熵合金复合粉末沉积于基体表面。
在可选的实施方式中，超高速激光熔覆的工艺参数包括：激光功率为1800-2800W，光斑直径为0.8-1.2mm，送粉速率为1.5-2.0kg/h，激光扫描速率为33-83m/min，搭接率为45-65％。
在可选的实施方式中，超高速激光熔覆过程中，同步进行热处理，热处理温度为400-600℃。
在可选的实施方式中，制备方法还包括在超高速激光熔覆后进行退火处理。
在可选的实施方式中，退火处理是于450-650℃的条件下保温30-180min，且退火处理温度高于热处理温度。
在可选的实施方式中，制备方法还包括在超高速激光熔覆前对基体进行预热处理。
在可选的实施方式中，预热处理是于250-350℃的条件下进行30-180min。
在可选的实施方式中，制备方法还包括在预热处理前，对基体的表面进行前处理。
在可选的实施方式中，前处理包括去油处理和去污处理。
第五方面，本发明提供一种零部件，其表面具有前述实施方式的碳化钨增强高熵合金涂层。
在可选的实施方式中，零部件为海工装备零部件或矿山机械零部件。
本申请的有益效果包括：
本申请中通过将碳化钨陶瓷粉末与特定成分组成的高熵合金粉末按特定配比复配，其中，高熵合金粉末中含有近等原子比的Fe、Co、Ni、Cr的金属成分，该四种成分可形成四元高熵合金并在超高速激光熔覆过程中形成热稳定性高的单一FCC固溶体相，具有热力学上的高熵效应、结构上的晶格畸变效应、动力学上的迟滞扩散效应以及性能上的鸡尾酒效应，进而拥有优异的塑性、抗疲劳性能以及高耐腐蚀性等。
上述FCC相金属可充分吸收涂层受到的冲击力和摩擦力，有效抑制和减少涂层裂纹的萌生以及传播；碳化钨(WC)陶瓷颗粒可发挥承载和耐磨作用，加上两者具有良好的润湿效果和匹配性，能够保证两者发挥各自优势，实现涂层强韧一体化，进而保证了高含量WC颗粒情况下，涂层无裂纹产生。
本申请提供的碳化钨增强高熵合金复合粉末能够有效避免现有技术中碳化钨陶瓷粉末含量超过30wt.％后，经超高速激光熔覆处理极易导致涂层开裂的问题。由该碳化钨增强高熵合金复合粉末制备得到的碳化钨增强高熵合金涂层与基体冶金结合，无裂纹，且涂层具有优异的高抗裂、耐高温、耐磨损、耐腐蚀性能。相应的制备方法效率高，对基体热影响小，所得的涂层可用于极端工况服役的海工装备、矿山机械等零部件的表面防护和再制造，具有重要的经济价值和推广意义。
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为本申请实施例1提供的高含量WC增强高熵复合粉末制备所得涂层的宏观图和裂纹探伤图；
图2为本申请实施例1提供的高含量WC增强高熵复合粉末制备所得涂层的截面组织结构图；
图3为本申请实施例1提供的高含量WC增强高熵复合粉末制备所得涂层的X射线衍射图。
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。
下面对本申请提供的用于超高速激光熔覆的碳化钨增强高熵合金复合粉末及其涂层和制备方法与应用进行具体说明。
发明人经长期研究提出：现有技术中碳化钨增强金属基复合粉末之所以会存在碳化钨含量超过30wt.％后，采用超高速激光熔覆制得的涂层容易开裂的原因可能在于：现有技术中碳化钨增强金属基复合粉末，由于碳化钨陶瓷相和金属基体间存在的热力学和物理性质差异，上述物质在超高速激光熔覆过程中极易形成较高的热应力，且服役过程中金属基体无法有效吸收具有较高含量的碳化钨的涂层受到的冲击力和摩擦力，无法抑制和减少涂层裂纹的萌生以及传播。
鉴于此，本申请创造性地提出了一种用于超高速激光熔覆的碳化钨增强高熵合金复合粉末，其原料包括碳化钨陶瓷粉末和高熵合金粉末；
其中，碳化钨陶瓷粉末在碳化钨增强高熵合金复合粉末中的质量百分数为45-65％；
高熵合金粉末由铁粉、钴粉、镍粉以及铬粉组成；以原子百分数计，高熵合金粉末中含有23-27％的Fe、23-27％的Co、23-27％的Ni以及23-27％的Cr。
可参考地，碳化钨陶瓷粉末在碳化钨增强高熵合金复合粉末中的质量百分数可以为45％、48％、50％、52％、55％、58％、60％、62％或65％等，也可以为45-65％范围内的其它任意值。
高熵合金粉末中，Fe、Co、Ni以及Cr的原子百分数均可独立地为23％、23.5％、24％、24.5％、25％、25.5％、26％、26.5％或27％等，也可以为23-27％范围内的其它任意值。
以下示例性但非限定性地对上述四种成分的复配方式进行举例：
在一些具体的实施方式中，上述四种成分可按23.5％：24.5％：25％：27％的方式组合，也即，Fe、Co、Ni以及Cr中一种成分的含量为23.5％，剩余三种成分中的一种成分的含量为24.5％；剩余两种成分中一种成分的含量为25％，最后剩余的成分的含量为27％。示例性地，高熵合金粉末中可含有24.5％的Fe、23.5％的Co、27％的Ni以及25％的Cr。
在另一些具体的实施方式中，上述四种成分可按24％：25％：26％：25％的方式组合，也即，Fe、Co、Ni以及Cr中一种成分的含量为24％，剩余三种成分中的一种成分的含量为25％；剩余两种成分中一种成分的含量为26％，最后剩余的成分的含量为25％。示例性地，高熵合金粉末中可含有25％的Fe、26％的Co、24％的Ni以及25％的Cr。
在另一些具体的实施方式中，上述四种成分可按25％：25％：25％：25％的方式组合，也即各成分含量相等。
在另一些具体的实施方式中，上述四种成分可按25.5％：26.5％、23.5％：24.5％的方式组合，也即Fe、Co、Ni以及Cr中一种成分的含量为25.5％，剩余三种成分中的一种成分的含量为26.5％；剩余两种成分中一种成分的含量为23.5％，最后剩余的成分的含量为24.5％。示例性地，高熵合金粉末中可含有25.5％的Fe、26.5％的Co、23.5％的Ni以及24.5％的Cr。
承上，本申请提供的高熵合金粉末中含有近等原子比的Fe、Co、Ni、Cr的金属成分，该四种成分可形成四元高熵合金并在超高速激光熔覆过程中形成热稳定性高的单一FCC固溶体相(其中，“FCC”指面心立方结构的相组织)，具有热力学上的高熵效应、结构上的晶格畸变效应、动力学上的迟滞扩散效应以及性能上的鸡尾酒效应，进而拥有优异的塑性、抗疲劳性能以及高耐腐蚀性等。
需强调的是，发明人通过研究还发现：当高熵合金粉末在上述四种金属成分的基础上，再添加其它成分后，如硼或硅等，依然无法避免涂层开裂的情况，其原因可能在于，当其它成分加入后，会打破Fe、Co、Ni与Cr之间的反应关系，导致最终无法形成单一FCC固溶体相，从而无法达到仅含Fe、Co、Ni和Cr所具有的效果。
通过将碳化钨陶瓷粉末与具有上述特定成分组成的高熵合金粉末按本申请提供的配比复配，FCC相金属可充分吸收涂层受到的冲击力和摩擦力，有效抑制和减少涂层裂纹的萌生以及传播；WC陶瓷颗粒具有超高的硬度和优异的耐磨性，是金属基涂层增强的完美的增强相，WC陶瓷颗粒可发挥承载和耐磨作用，加上两者具有良好的润湿效果和匹配性，能够实现涂层强韧一体化，保证了在高含量WC颗粒情况下(45-65wt％，尤其是55-65wt％)，经超高速激光熔覆制备得到的涂层无裂纹产生。
可参考地，本申请使用的碳化钨陶瓷粉末的球形度≥90％(如90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％或100％等)，粒度分布范围45-65μm。
高熵合金粉末的球形度≥90％(如90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％或100％等)，粒度分布范围15-85μm，D50为45-65μm，流动性为15-20s/50g。较佳地，高熵合金粉末中各金属粉末的纯度均大于99.7％。
需强调的是，超高速熔覆过程中所使用的金属粉末对于熔覆效果有着至关重要的影响，粒度范围、流动性、球形度等粉末参数直接影响熔覆层的质量。
本申请中之所以将碳化钨陶瓷粉末的球形度和粒度分布范围设置在上述范围，其原因在于：若球形度过低和粒径过小，容易导致碳化钨陶瓷流动性不好，不利于输送，进而造成涂层出现缺陷，涂层厚度无法保证；且碳化钨陶瓷粒径过小，制备涂层的耐磨性能不佳；粒径过大，容易导致粉末输送效果不好，且容易导致碳化钨陶瓷颗粒在涂层内部分散不均匀，且大颗粒粉末容易沉积在涂层底部，进而导致涂层性能不佳。
同理地，之所以将高熵合金粉末的球形度、粒径范围及流动性设置在上述范围，其原因在于：若高熵合金粉末球形度过低和粒径过小，容易导致流动性不好，不利于粉末输送，进而造成涂层出现缺陷，涂层厚度无法保证；粒径过大，容易导致粉末输送效果不好，且造成高熵粉末熔化不完全或造成合金元素的偏聚，进而涂层形成缺陷；流动性过大，容易导致粉末无法完全被熔化利用，进而造成粉末浪费。
相应地，本申请还提供了上述碳化钨增强高熵合金复合粉末的制备方法，包括以下步骤：按配比混合碳化钨陶瓷粉末和高熵合金粉末。
可参考地，混合可采用球磨方式进行，此外，也不排除其它方式混合。
需强调的是，若采用球磨方式进行混合时，球磨过程中不添加任何磨球。若添加有磨球，容易导致混合后的碳化钨增强高熵合金复合粉末过细，造成超高速激光熔覆过程中送粉困难。
可参考地，上述球磨时间可以为30-60min，如30min、35min、40min、45min、50min、55min或60min等。
此外，本申请还提供了一种碳化钨增强高熵合金涂层，其由前述实施方式任一项的碳化钨增强高熵合金复合粉末经超高速激光熔覆方式沉积于基体表面而得。
该碳化钨增强高熵合金涂层中具有FCC固溶体相。
可参考地，上述碳化钨增强高熵合金涂层的厚度可以为1-3mm，如1mm、1.5mm、2mm、2.5mm或3mm等。
在可选的实施方式中，碳化钨增强高熵合金涂层中具有FCC固溶体相。
该碳化钨增强高熵合金复合粉末制备得到的碳化钨增强高熵合金涂层表面平整光滑，与基体冶金结合，致密度高，无裂纹，且该涂层具有优异的高抗裂、耐高温、耐磨损及耐腐蚀性能等。
相应地，本申请还提供了上述碳化钨增强高熵合金涂层的制备方法，包括以下步骤：采用超高速激光熔覆方式，将上述碳化钨增强高熵合金复合粉末沉积于基体表面。
可参考地，在超高速激光熔覆前，可对基体进行预热处理，此过程可采用感应加热装置进行。
预热处理可以于250-350℃(优选300℃)的条件下进行30-180min。
进一步地，预热处理前，还包括对基体的表面进行前处理，如机械加工、去油处理和去污处理等。
预热处理后，根据零件基体几何形状进行超高速激光熔覆路径规划，进而进行超高速激光熔覆。
可参考地，超高速激光熔覆的工艺参数可包括：激光功率为1800-2800W，光斑直径为0.8-1.2mm，送粉速率为1.5-2.0kg/h，激光扫描速率为33-83m/min，搭接率为45-65％。
其中，激光功率具体可以为1800W、1900W、2000W、2100W、2200W、2300W、2400W、2500W、2600W、2700W或2800W等，也可以为1800-2800W范围内的其它任意值。
光斑直径可以为0.8mm、0.85mm、0.9mm、0.95mm、1mm、1.05mm、1.1mm、1.15mm或1.2mm等，也可以为0.8-1.2mm范围内的其它任意值。
送粉速率可以为1.5kg/h、1.6kg/h、1.7kg/h、1.8kg/h、1.9kg/h或2kg/h等，也可以为1.5-2.0kg/h范围内的其它任意值。
激光扫描速率可以为33m/min、35m/min、40m/min、45m/min、50m/min、55m/min、60m/min、65m/min、70m/min、75m/min、80m/min或83m/min等，也可以为33-83m/min范围内的其它任意值。
搭接率可以为45％、50％、55％、60％或65％等，也可以为45-65％范围内的其它任意值。
上述工艺条件中，激光功率小于1800W容易导致输入能量不足，粉末熔化不完全，形成缺陷，大于2800W容易导致输入能量过高，元素烧损，形成缺陷；送粉速率低于1.5kg/h容易导致送粉太少，涂层厚度无法保证，高于2kg/h容易导致粉末输送过多，粉末熔化不完全，且浪费粉末；激光扫描速率小于33m/min容易导致输入能量过高，元素烧损，形成缺陷，大于83m/min容易导致输入能量不足，粉末熔化不完全，形成缺陷；搭接率小于45％容易导致涂层搭接处出现缺陷，大于65％容易导致涂层制备效率降低。
较佳地，本申请在超高速激光熔覆过程中，还同步进行有热处理。
可参考地，热处理温度可以为400-600℃，如400℃、450℃、500℃、550℃或600℃等，优选为500℃。
通过以上述条件进行热处理，可降低超高速激光熔覆过程中产生的热应力，降低涂层开裂的可能性。
需强调的是，若热处理温度低于400℃容易导致预热不足，导致涂层热应力较大，造成涂层开裂，高于600℃容易导致损伤基体材料，且浪费资源。
进一步地，超高速激光熔覆后，还进行有退火处理，退火处理后随炉冷却即可。
可参考地，退火处理可以于450-650℃的条件下保温30-180min，且退火处理温度高于热处理温度。
具体的，退火处理温度可以为450℃、500℃、550℃、600℃或650℃等，优选为550℃。
通过退火处理，可避免直接随炉冷却过程中产生的较大的应力，进一步降低涂层开裂的几率。
需强调的是，若退火处理温度低于450℃容易导致热应力消除不完全，容易给涂层应用造成隐患，高于650℃容易导致涂层组织和性能发生变化。
进一步地，根据最终所需尺寸进行相应的机械加工(如切割)即可。
与传统激光熔覆技术相比，超高速激光熔覆效率更高，可极大提高激光熔覆表面加工速率，经济性好，且该方式对基体热影响小，有利于获得具有良好性能的碳化钨增强高熵合金涂层。
相应地，本申请还提供了一种零部件，其表面具有上述碳化钨增强高熵合金涂层。
可参考地，上述零部件示例性但非限定性地可以为海工装备零部件或矿山机械零部件，相应地零部件可用于极端工况服役，具有重要的经济价值和推广意义。
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。
实施例1
本实施例提供一种碳化钨增强高熵合金复合粉末及由其制备得到的碳化钨增强高熵合金涂层。
该碳化钨增强高熵合金复合粉末(用于超高速激光熔覆的高含量WC增强高熵复合粉末)的原料包括高熵合金粉末和WC陶瓷粉末，高熵合金粉末中Fe、Co、Ni、Cr的原子百分数均为25％。WC陶瓷粉末占碳化钨增强高熵合金复合粉末总质量的65wt％。
高熵合金粉末的球形度≥90％，粒度分布范围20-80μm，D50为50-60μm，流动性为18s/50g，且粉末的纯度为99.8％。WC陶瓷粉末的球形度≥90％，粒度分布范围45-60μm。
上述高含量WC增强高熵复合粉末经以下方式制得：将高熵合金粉末和WC陶瓷粉末按上述比例称量后放入行星球磨机中，球磨60min，球磨中不添加任何磨球，得到复合粉末。
将上述高含量WC增强高熵复合粉末，采用超高速激光熔覆技术，对零件基体表面进行强化与再制造，具体步骤为：
对零件基体表面进行前处理，利用机加将Q235基体材料切割为10cm×10cm×10cm试块，打磨去除表面氧化皮，表面用丙酮酒精除油去污；
根据零件基体几何形状进行超高速激光熔覆路径规划；
采用感应加热装置对零件基体进行预热处理，预热温度为300℃，时间为30min；
采用光纤激光超高速激光熔覆系统对零件基体表面进行涂层制备，超高速激光熔覆工艺参数如下：激光功率为2000W，光斑直径为1mm，送粉速率为1.8kg/h，激光扫描速率为50m/min，搭接率为50％；
熔覆过程同步热处理，热处理温度为500℃；熔覆后，于550℃的条件下退火处理60min，随后随炉冷却；
熔覆后进行机加工，获得所需尺寸。
对所得的产品进行测试，其中，致密度参照《GB 3850-1983》测定，显微硬度参照《GB/T 4342-1991》测定，耐磨性《GB/T 12444-2006》测定，耐腐蚀性参照《GB/T 20854-2007》测定。
其结果如下：
本实施例所得的产品的涂层的宏观图和裂纹探伤图如图1所示，图1(a)为宏观图，图1(b)为裂纹探伤图；涂层的截面组织结构图如图2所示，由图1和图2可以看出：本实施例所得的超高速激光熔覆涂层成形质量好，表面平整，无裂纹；涂层基体呈现冶金结合，组织结构致密；熵合金涂层基体与WC增强相结合良好。
上述涂层的X射线衍射图如图3所示，其结果显示：复合涂层主要由单一FCC、WC、W2C等相组成。
此外，经测试，上述涂层的厚度为1.5mm，致密度为99.9％，稀释率为2％，平均显微硬度为600HV0.2，摩擦磨损性能优异，NaCl溶液中耐腐蚀性能优于316L不锈钢。
实施例2
本实施例提供一种碳化钨增强高熵合金复合粉末及由其制备得到的碳化钨增强高熵合金涂层。
该碳化钨增强高熵合金复合粉末(用于超高速激光熔覆的高含量WC增强高熵复合粉末)的原料包括高熵合金粉末和WC陶瓷粉末，高熵合金粉末中Fe、Co、Ni、Cr的原子百分数均为25％。WC陶瓷粉末占碳化钨增强高熵合金复合粉末总质量的55wt％。
高熵合金粉末的球形度≥90％，粒度分布范围20-80μm，D50为50-60μm，流动性为18s/50g，且粉末的纯度为99.8％。WC陶瓷粉末的球形度≥90％，粒度分布范围45-60μm。
上述高含量WC增强高熵复合粉末经以下方式制得：将高熵合金粉末和WC陶瓷粉末按上述比例称量后放入行星球磨机中，球磨50min，球磨中不添加任何磨球，得到复合粉末。
将上述高含量WC增强高熵复合粉末，采用超高速激光熔覆技术，对零件基体表面进行强化与再制造，具体步骤为：
将高熵合金粉末和WC陶瓷粉末按比例称量后放入行星球磨机中，球磨50min，球磨中不添加任何磨球，得到复合粉末；
对零件基体表面进行前处理，利用机加将Q235基体材料切割为10cm×10cm×10cm试块，打磨去除表面氧化皮，表面用丙酮酒精除油去污；
根据零件基体几何形状进行超高速激光熔覆路径规划；
采用感应加热装置对零件基体进行预热处理，预热温度为300℃，时间为30min；
采用光纤激光超高速激光熔覆系统对零件基体表面进行涂层制备，超高速激光熔覆工艺参数如下：激光功率为1900W，光斑直径为1mm，送粉速率为1.9kg/h，激光扫描速率为50m/min，搭接率为45％；
熔覆过程同步热处理，热处理温度为500℃；熔覆后，于550℃的条件下退火处理60min，随后随炉冷却；
熔覆后进行机加工，获得所需尺寸。
采用实施例1相同的测试方法对所得的产品进行测试，其结果如下：
超高速激光熔覆涂层成形质量好，表面平整，无裂纹，涂层基体呈现冶金结合，组织结构致密，厚度为1.8mm，致密度为99.7％，高熵合金涂层基体与WC增强相结合良好，稀释率为2％，平均显微硬度为560HV0.2，摩擦磨损性能优异，NaCl溶液中耐腐蚀性能优于316L不锈钢。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于：高熵合金粉末中Fe、Co、Ni、Cr的原子百分数依次为24.5％、23.5％、27％及25％。
实施例4
本实施例与实施例1的区别在于：高熵合金粉末中Fe、Co、Ni、Cr的原子百分数依次为25％、26％、24％及25％。
实施例5
本实施例与实施例1的区别在于：高熵合金粉末中Fe、Co、Ni、Cr的原子百分数依次为25.5％、26.5％、23.5％及24.5％。
实施例6
本实施例与实施例1的区别在于：WC陶瓷粉末占碳化钨增强高熵合金复合粉末总质量的45wt％。
实施例7
本实施例与实施例1的区别在于：
超高速激光熔覆工艺参数如下：激光功率为1800W，光斑直径为0.8mm，送粉速率为1.5kg/h，激光扫描速率为33m/min，搭接率为55％。
实施例8
本实施例与实施例1的区别在于：
超高速激光熔覆工艺参数如下：激光功率为2800W，光斑直径为1.2mm，送粉速率为2kg/h，激光扫描速率为83m/min，搭接率为60％。
实施例9
本实施例与实施例1的区别在于：零件基体的预热温度为250℃，时间为30min；熔覆过程中同步进行的热处理温度为400℃；熔覆后的退火处理温度为450℃，时间为60min。
采用实施例1相同的测试方法对实施例3-9所得的产品进行测试，其结果如表1所示：
表1测试结果
致密度(％) 稀释率(％) 平均显微硬度(HV<sub>0.2</sub>)
实施例3 99.7 2 598
实施例4 99.8 2 590
实施例5 99.7 3 550
实施例6 99.8 2 576
实施例7 99.9 3 587
实施例8 99.8 2 589
实施例9 99.7 3 569
由表1可以看出，实施例3-9所得的产品具有涂层也具有较高的致密度，较低的稀释率以及较高的平均显微硬度。
此外，上述实施例3-9所得的产品涂层成形质量好，表面平整，无裂纹，涂层基体呈现冶金结合，NaCl溶液中耐腐蚀性能均优于316L不锈钢。
对比例
以实施例1为例，设置对比例1-10。
对比例1与实施例1的区别在于：高熵合金粉末由铁粉、钴粉、镍粉、铬粉、硅粉组成，高熵合金粉末中Fe、Co、Ni、Cr、Si的原子百分数依次为25％、25％、25％、20％以及5％。
对比例2与实施例1的区别在于：高熵合金粉末由铁粉、钴粉、镍粉、铬粉、硅粉组成，高熵合金粉末中Fe、Co、Ni、Cr、Al的原子百分数依次为25％、25％、25％、20％以及5％。
对比例3与实施例1的区别在于：碳化钨陶瓷的粉末的球形度＜90％，粒度分布范围为30-40μm；高熵合金粉末的球形度＜90％，粒度分布范围小于5-10μm，流动性为10s/50g；
对比例4与实施例1的区别在于：碳化钨陶瓷的粉末的球形度＜90％，粒度分布范围为80-100μm；高熵合金粉末的球形度＜90％，粒度分布范围为100-120μm，D50为100-110μm，流动性为25s/50g；
对比例5与实施例1的区别在于：球磨过程加入有磨球；
对比例6与实施例1的区别在于：超高速激光熔覆的工艺参数为激光功率为1500W，光斑直径为0.5mm，送粉速率为1kg/h，激光扫描速率为30m/min，搭接率为40％；
对比例7与实施例1的区别在于：超高速激光熔覆的工艺参数为激光功率为3000W，光斑直径为1.5mm，送粉速率为2.5kg/h，激光扫描速率为85m/min，搭接率为70％；
对比例8与实施例1的区别在于：超高速激光熔覆前，基体未经预热处理；
对比例9与实施例1的区别在于：超高速激光熔覆过程中未同步进行热处理；
对比例10与实施例1的区别在于：超高速激光熔覆后未进行退火处理直接随炉冷却；
采用实施例1相同的测试方法对对比例1-10所得的产品进行测试，其结果如表2所示：
表2测试结果
Figure BDA0003390350250000171
由表2可以看出，对比例1-10所得的产品均不能具有良好的成形质量，本申请所提供的方案制备得到的碳化钨增强高熵合金涂层能够在具有较高致密度和显微硬度的同时具有良好的成形质量。
综上，本申请提供的碳化钨增强高熵合金复合粉末能够有效避免现有技术中碳化钨陶瓷粉末含量超过30wt.％后，经超高速激光熔覆处理极易导致涂层开裂的问题。由该碳化钨增强高熵合金复合粉末制备得到的碳化钨增强高熵合金涂层与基体冶金结合，无裂纹，且涂层具有优异的高抗裂、耐高温、耐磨损、耐腐蚀性能。相应的制备方法效率高，对基体热影响小，所得的涂层可用于极端工况服役的海工装备、矿山机械等零部件的表面防护和再制造，具有重要的经济价值和推广意义。
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)

1.一种用于超高速激光熔覆的碳化钨增强高熵合金复合粉末，其特征在于，所述碳化钨增强高熵合金复合粉末的原料包括碳化钨陶瓷粉末和高熵合金粉末；
其中，所述碳化钨陶瓷粉末在所述碳化钨增强高熵合金复合粉末中的质量百分数为45-65％；
所述高熵合金粉末由铁粉、钴粉、镍粉以及铬粉组成；以原子百分数计，所述高熵合金粉末中含有23-27％的Fe、23-27％的Co、23-27％的Ni以及23-27％的Cr；
优选地，所述碳化钨陶瓷粉末在所述碳化钨增强高熵合金复合粉末中的质量百分数为55-65％。
2.根据权利要求1所述的碳化钨增强高熵合金复合粉末，其特征在于，所述碳化钨陶瓷粉末的球形度≥90％，粒度分布范围45-65μm。
3.根据权利要求1所述的碳化钨增强高熵合金复合粉末，其特征在于，所述高熵合金粉末的球形度≥90％，粒度分布范围15-85μm，D50为45-65μm，流动性为15-20s/50g；
优选地，所述高熵合金粉末中各金属粉末的纯度均大于99.7％。
4.如权利要求1-3任一项所述的碳化钨增强高熵合金复合粉末的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：按配比混合所述碳化钨陶瓷粉末和所述高熵合金粉末；
优选地，混合采用球磨方式进行；
优选地，球磨过程中不添加磨球；
优选地，球磨时间为30-60min。
5.一种碳化钨增强高熵合金涂层，其特征在于，由权利要求1-3任一项所述的碳化钨增强高熵合金复合粉末经超高速激光熔覆方式沉积于基体表面而得；
优选地，所述碳化钨增强高熵合金涂层的厚度为1-3mm；
优选地，所述碳化钨增强高熵合金涂层中具有FCC固溶体相。
6.如权利要求5所述的碳化钨增强高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：采用超高速激光熔覆方式，将权利要求1-3任一项所述的碳化钨增强高熵合金复合粉末沉积于基体表面。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，超高速激光熔覆的工艺参数包括：激光功率为1800-2800W，光斑直径为0.8-1.2mm，送粉速率为1.5-2.0kg/h，激光扫描速率为33-83m/min，搭接率为45-65％。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，超高速激光熔覆过程中，同步进行热处理，热处理温度为400-600℃；
优选地，所述制备方法还包括在超高速激光熔覆后进行退火处理；
优选地，退火处理是于450-650℃的条件下保温30-180min，且退火处理温度高于热处理温度。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括在超高速激光熔覆前对所述基体进行预热处理；
优选地，预热处理是于250-350℃的条件下进行30-180min；
优选地，所述制备方法还包括在预热处理前，对所述基体的表面进行前处理；
优选地，前处理包括去油处理和去污处理。
10.一种零部件，其特征在于，所述零部件的表面具有权利要求5所述的碳化钨增强高熵合金涂层；
优选地，所述零部件为海工装备零部件或矿山机械零部件。
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