CN114164425A - 一种激光熔覆用低密度难熔高熵合金熔覆层制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光熔覆用低密度难熔高熵合金熔覆层制备方法，所述高熵合金由Ti、Al、Mo、Nb、Cr、Zr六种金属元素粉末组成，按照配比计算，准确称量各个组分的质量后应用球磨技术将其进行充分混匀，均匀的压制在基体材料表面，干燥后通过激光熔覆加工即可获得熔覆层，其中基体材料为TC4(Ti6‑Al4‑V)；本发明高熵合金粉末进行激光熔覆后，熔覆层具有良好的宏观形貌，并且熔覆层具有组织细小、无裂纹、熔覆层与基材结合强度高的特点，其次熔覆层具有较高的显微硬度。高熵合金显现出许多不同于传统合金的组织和性能特点，是具有学术价值和航空航天应用潜力的材料领域。
Description
技术领域
本发明属于钛合金表面改性技术领域，具体涉及一种激光熔覆用低密度难熔高熵合金熔覆层制备方法。
背景技术
传统的合金设计方法都是以一种元素为主，再通过添加其他元素来改进合金的性能，如铁基、镍基和钛基合金。2004年有中国台湾学者首次提出高熵合金的设计理念，该合金是由5种或5种以上元素组成，每种元素的原子百分比在5％-35％。高熵合金在晶体结构上并未形成复杂的多相合金化合物，而是简单的BCC和FCC结构的固溶体，甚至易产生纳米相和无序的非晶相，并且具有良好的热稳定性、极高的硬度、室温强度和良好的塑性变形能力、优越的耐腐蚀和耐磨性能等。
钛及钛合金零件的失效大多始于零件表面或其表层，传统表面改性技术可以制备的涂层通常厚度较薄(<100μm)，微观结构致密性较差，与基材的结合强度不高，不能赋予钛合金优异的长期服役条件。有研究者采用电化学沉积和磁控溅射方法制备出高熵合金熔覆层，但不能满足高强度的应用场合，而激光熔覆具有高的加热和冷却速率，对基体的热影响小，熔覆层晶粒细小且在基体中分布均匀，熔覆层与基体为冶金结合，结合强度高，熔覆层厚度最高可达到几毫米，并且，可作为熔覆层的粉末范围广泛，因此通过适当的合金的配比设计，获得优异性能的高熵合金熔覆层，对于发展高熵合金在实际应用方面具有巨大的意义。
发明内容
本发明提供了一种低密度难熔高熵合金材料，其特征在于，所述高熵合金材料由Ti、Al、Mo、Nb、Cr和Zr六种金属元素粉末组成；
优选的，所述Ti、Al、Mo、Nb、Cr和Zr六种金属元素的摩尔比为Ti︰Al︰Mo︰Nb︰Cr︰Zr＝1︰1︰1︰1︰1︰1；其中Ti、Mo、Nb、Cr、Zr皆为高熔点元素，Al为低密度元素；
优选的，所述Ti、Al、Mo、Nb、Cr和Zr纯度均为99.99％以上；
本发明的另一目的在于提供一种激光熔覆用低密度难熔高熵合金熔覆层制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将各个组分粉末按比例称量混合后，在80-100r/min转速下真空球磨3h以上；充分混合，得到合金粉末粒径为200-325目；
S2：用200-400目的砂纸打磨基材表面，去氧化皮以及油渍，再用酒精超声清洗干净后放入干燥箱中备用；
S3：将S1得到的合金粉末材料均匀压制在S2处理后的基材表面，预制层厚度为1.0-1.2mm，放入干燥箱中10小时以上，之后通过激光熔覆即可获得熔覆层；
优选的，所述S3中激光熔覆的工艺参数为：激光功率 3700-4200W，扫描速度300-350mm/min，光斑直径3-4mm、离焦量 15-30mm、保护气体采用Ar，气体流量6-10L/min；
优选的，所述S2中的基材为TC4(Ti6-Al4-V)。
本发明的有益效果是：
1)本发明提供的粉末配方与钛合金基体具有优异的结合性能，所得熔覆熔覆层具有良好的宏观形貌，无裂纹、孔洞等缺陷；
2)本发明所得到的高熵合金熔覆层，涂层与基体为冶金结合，结合强度高，组织致密，元素分布均匀，形成了BCC结构的固溶体以及少量的Laves相；
3)本发明通过激光熔覆得到的熔覆层具有较好的力学性能，尤其是硬度方面；
4)本发明的特点在于高熔点金属元素的选择与低密度元素的添加，以及激光工艺参数的选择方面。加入Al元素后合金密度由 7.29g/cm3降低为6.55g/cm3，使其可以更好地应用于航空航天方面。
附图说明
图1是本发明实施例1熔覆层金相组织图；
图2是本发明实施例1熔覆层SEM图；
图3是本发明实施例1熔覆层XRD图；
图4是本发明实施例1和2熔覆层硬度曲线；
图5是本发明实施例1和2熔覆层以及基材的平均硬度。
具体实施方式
为了清楚完整的对本发明的技术方案和效果做出描述，通过以下实施例进行详细说明；
基体材料TC4(Ti6-Al4-V)的化学成分如下表所示：
各个金属元素物理化学性质如下表所示：
实施例1
S1：本实施例所述高熵合金材料由Ti、Al、Mo、Nb、Cr和Zr 六种金属元素粉末组成，各组分的摩尔比为1：1：1：1：1：1；将各个粉末按比例称量混合后，进行真空球磨，球磨3小时，得到合金粉末粒径为200-325目；
S2：基体材料选用TC4(Ti6-Al4-V)，用200-400目砂纸打磨，去除表面氧化物，采用丙酮去除油污，并采用超声波酒精清洗；
S3：将S1得到的合金粉末均匀压制在S2处理后的基材表面，形成预制层，预制层厚度为1.2mm，放入80℃干燥箱中，干燥10小时后，通过激光熔覆即可获得熔覆层，激光熔覆时的工艺参数为：激光功率3700W，扫描速度300mm/min，光斑直径3.5mm、离焦量20mm、保护气体采用Ar，气体流量7L/min。
实施例2
S1：本实施例所述高熵合金材料由Ti、Al、Mo、Nb、Cr和Zr 六种金属元素粉末组成，各组分的摩尔比为＝1：1：1：1：1：1，将各个粉末按比例称量混合后，进行真空球磨，球磨3小时，得到合金粉末粒径为200-325目；
S2：基体材料选用TC4(Ti6-Al4-V)，用200-400目砂纸打磨，去除表面氧化物，采用丙酮去除油污，并采用超声波酒精清洗；
S3：将S1得到的合金粉末均匀压制在S2处理后的基材表面，形成预制层，预制层厚度为1.2mm，放入80℃干燥箱中，干燥10小时后，通过激光熔覆即可获得熔覆层，激光熔覆时的工艺参数为：激光功率4200W，扫描速度350mm/min，光斑直径3.5mm、离焦量20mm、保护气体采用Ar，气体流量8L/min。
结果分析：
对实施例1和2激光熔覆后得到的熔覆层用1200-2000目砂纸进行打磨并抛光，采用王水进行腐蚀，用SEM进行扫描拍摄，获得了熔覆层截面形貌，可知熔覆层组织致密均匀，无明显缺陷，晶粒大致为等轴晶组织。
利用D/max-3BX型X射线衍射仪对实施例1和2中的高熵合金涂层进行物像表征，通过XRD衍射图谱可知，熔覆层物像主要由BCC 相以及少量Laves相构成。
对实施例1和2中的高熵合金涂层，采用HVS-1000A型显微硬度仪测量熔覆层的显微硬度，在距离熔覆层表面不同距离处取点进行测量，实施例1中高熵合金熔覆层平均硬度1006.5HV0.2，实施例2 中高熵合金熔覆层平均硬度986.0HV0.2，两种工艺参数下熔覆层硬度明显高于基材硬度713.8HV0.2，且在实例1中的工艺参数下得到的熔覆层硬度更高。
Claims (6)
1.一种低密度难熔高熵合金材料，其特征在于，所述高熵合金材料由Ti、Al、Mo、Nb、Cr和Zr六种金属元素粉末组成。
2.根据权利要求1所述一种低密度难熔高熵合金材料，其特征在于，所述Ti、Al、Mo、Nb、Cr和Zr六种金属元素的摩尔比为Ti︰Al︰Mo︰Nb︰Cr︰Zr＝1︰1︰1︰1︰1︰1；其中Ti、Mo、Nb、Cr、Zr皆为高熔点元素，Al为低密度元素。
3.根据权利要求1所述一种低密度难熔高熵合金材料，其特征在于，所述Ti、Al、Mo、Nb、Cr和Zr纯度均为99.99％以上。
4.一种激光熔覆用低密度难熔高熵合金熔覆层制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将各个组分粉末按比例称量混合后，在80-100r/min转速下真空球磨3h以上；充分混合，得到合金粉末粒径为200-325目；
S2：用200-400目的砂纸打磨基材表面，去氧化皮以及油渍，再用酒精超声清洗干净后放入干燥箱中备用；
S3：将S1得到的合金粉末材料均匀压制在S2处理后的基材表面，预制层厚度为1.0-1.2mm，放入干燥箱中10小时以上，之后通过激光熔覆即可获得熔覆层。
5.根据权利要求4所述一种激光熔覆用低密度难熔高熵合金熔覆层制备方法，其特征在于，所述S3中激光熔覆的工艺参数为：激光功率3700-4200W，扫描速度300-350mm/min，光斑直径3-4mm、离焦量15-30mm、保护气体采用Ar，气体流量6-10L/min。
6.根据权利要求4所述一种激光熔覆用低密度难熔高熵合金熔覆层制备方法，其特征在于，所述S2中的基材为TC4(Ti6-Al4-V)。
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