CN115488329A - 一种激光沉积高熵合金增强铝基复合材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于复合材料制备领域，涉及一种激光沉积高熵合金增强铝基复合材料的方法。取颗粒度为45～75μm的Al‑10Si和FeCoCrNiMo粉末，按Al‑10Si粉末和FeCoCrNiMo增强相的质量配比分别为9.5:0.5、9.25:0.75、9:1、8.75:1.25或8.5:1.5，放入球磨机中球磨使粉末混合均匀。采用同轴送粉法，通过激光功率1200W，光斑直径1.5mm，扫描速度240mm/min，送粉速度6.5g/min，送气量6L/min，进行多道多层激光沉积，得到高熵合金增强铝基复合材料。本发明工艺简单，操作方便，复合材料晶粒尺寸细小，增强相分布均匀，力学性能好。
Description
技术领域
本发明属于复合材料制备领域，涉及一种激光沉积高熵合金增强铝基复合材料的方法。
背景技术
激光沉积是一种先进的柔性制造技术，具有无模具和“近终形”等特点，无需对沉积材料进行二次加工，使得制造周期大幅缩短、制造成本大幅下降、材料利用率极大提升。而且，激光沉积是通过金属粉末直接沉积出高性能产品，组元成份简单，不会对材料产生污染，可实现“绿色制造”。同时，激光沉积过程具有很快的凝固冷却速率，可以获得非常细小的显微组织，从而得到高性能材料。
高熵合金具有强度硬度高、热稳定性好的特点，可满足铝基复合材料对增强相力学性能的要求。同时，高熵合金与铝基体间金属-金属界面，确保了增强相与基体间良好的界面相容性。因此，高熵合金是铝基复合材料的理想增强相。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种激光沉积高熵合金增强铝基复合材料的方法，其操作工艺简单，能够将Al-10Si和FeCoCrNiMo混合粉末通过激光沉积制备高熵合金增强铝基复合材料。通过激光高能量密度束，改变FeCoCrNiMo增强相的质量分数，实现在快速凝固过程中增强铝合金，提高合金性能。
为了解决上述问题，本发明的技术方案是：
一种激光沉积高熵合金增强铝基复合材料的方法，以FeCoCrNiMo高熵合金为增强相，控制FeCoCrNiMo高熵合金增强相的质量分数分别为5wt.％、7.5wt.％、10wt.％、12.5wt.％或15wt.％。
所述的激光沉积高熵合金增强铝基复合材料的方法，采用同轴送粉法，所用激光器为光纤激光加工器，激光功率为1200w，光斑直径1.5mm，扫描速度240mm/min，送粉速度6.5g/min，送气量6L/min，在氩气保护下进行多道多层激光沉积，得到高熵合金增强铝基复合材料。
所述的激光沉积高熵合金增强铝基复合材料的方法，高熵合金增强铝基复合材料中，当FeCoCrNiMo增强相的质量分数分别为5wt.％或7.5wt.％时，增强相主要呈颗粒状；当FeCoCrNiMo增强相的质量分数分别为10wt.％、12.5wt.％或15wt.％时，增强相为枝状，且增强相含量越多，枝状增强相越粗大。
所述的激光沉积高熵合金增强铝基复合材料的方法，激光沉积用原料取颗粒度为45～75μm的Al-10Si基体粉末和FeCoCrNiMo增强相粉末，按Al-10Si基体粉末和FeCoCrNiMo增强相粉末的质量配比分别为9.5:0.5、9.25:0.75、9:1、8.75:1.25或8.5:1.5，放入球磨机中球磨使粉末混合均匀。
本发明的设计思想是：
为探究激光沉积工艺对高熵合金增强相形貌的影响和高熵合金增强相对复合材料组织和性能的影响，选取质量分数为5wt.％、7.5wt.％、10wt.％、12.5wt.％和15wt.％的高熵合金增强相作为研究对象，确定其变化规律。调试激光器的功率和扫描速度等工艺参数，直到获得的沉积层的表面平整光滑、成形连续、厚度均匀、无气孔和裂纹等明显缺陷，选定此时的工艺参数为作为激光沉积工艺参数，激光功率为1200w，光斑直径1.5mm，扫描速度240mm/min，送粉速度6.5g/min，送气量6L/min。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
1、本发明采用一种先进的、材料利用率高的激光沉积技术，利用激光高能量密度的特点，进行多道多层激光沉积，其操作容易、材料利用率高以及产品致密。
2、采用本发明沉积层与基体材料间能实现良好的结合。
3、采用本发明沉积层组织致密，晶粒细小，沉积层具有硬度高、耐磨损等良好的性能。
4、本发明通过金相分析铝基复合材料组织，组织随高熵合金的质量分数的变化而发生改变(参见图1、图2、图3、图4、图5、图6)。通过显微硬度计测量发现随着高熵合金的质量分数的增加，硬度也随之增加(参见图7)。
附图说明
图1为本发明实施例1对应的金相照片。
图2为本发明实施例2对应的金相照片。
图3为本发明实施例3对应的金相照片。
图4为本发明实施例4对应的金相照片。
图5为本发明实施例5对应的金相照片。
图6为本发明实施例6对应的金相照片。
图7为本发明实施例1至6对应的硬度测量图片。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明提出一种激光沉积高熵合金增强铝基复合材料的方法，包括以下步骤：
(1)对激光沉积铝合金基板表面进行喷砂处理，以清洗基板表面的污垢、锈蚀等。
(2)将Al-10Si合金粉和FeCoCrNiMo高熵合金粉按照质量比9.5:0.5、9.25:0.75、9:1、8.75:1.25或8.5:1.5在行星球磨机中以转速150r/min球磨2小时使粉末混合均匀。
(3)将球磨好的混合粉末放入真空干燥箱中，在60℃下烘干2小时。
(4)将步骤(3)中制备的混合粉末放置在送粉器中，在氩气保护下进行多层多道激光沉积，每层沉积结束后，用气喷枪清理沉积层表面，然后继续沉积。沉积后测量沉积层的高度，调节激光焦距，保持每层沉积激光焦距不变。
其中，增强相FeCoCrNiMo高熵合金的各合金元素为等原子比，基体材料Al-10Si合金的成分为Si 9～12wt％，Al余量。在氩气保护下进行多层多道激光沉积时，每层沉积的厚度范围为1～1.5mm，沉积层总厚度范围为5～6mm。
下面，结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
实施例1
本实施例中，激光沉积高熵合金增强铝基复合材料的方法，包括以下步骤：
(1)对激光沉积基板(6061铝合金板)表面进行预处理，以清洗基板表面的污垢、锈蚀等。
(2)将Al-10Si合金粉在行星球磨机中以转速150r/min球磨2小时。
(3)将球磨好的粉末放入真空干燥箱中，在60℃下烘干2小时。
(4)将步骤(3)中制备的混合粉末放置在送粉器中，在氩气保护下进行多层多道激光沉积，激光功率为1200W，扫描速度为240mm/min，光斑直径1.5mm，送粉速度6.5g/min，送气量6L/min。每层沉积结束后，用氮气喷枪清理沉积层表面，然后继续沉积。每层沉积的厚度范围为1～1.5mm，沉积层总厚度范围为5～6mm。
如图1所示，从实施例1对应的金相照片可以看出，由于没有加入增强相FeCoCrNiMo高熵合金，组织主要为α-Al相和网状分布的共晶相。
实施例2
本实施例中，激光沉积高熵合金增强铝基复合材料的方法，包括以下步骤：
(1)对激光沉积基板(6061铝合金板)表面进行预处理，以清洗基板表面的污垢、锈蚀等。
(2)将Al-10Si合金粉和FeCoCrNiMo高熵合金粉按照质量比9.5:0.5在行星球磨机中以转速150r/min球磨2小时使粉末混合均匀。
(3)将球磨好的粉末放入真空干燥箱中，在60℃下烘干2小时。
(4)将步骤(3)中制备的混合粉末放置在送粉器中，在氩气保护下进行多层多道激光沉积，激光功率为1200W，扫描速度为240mm/min，光斑直径1.5mm，送粉速度6.5g/min，送气量6L/min。每层沉积结束后，用氮气喷枪清理沉积层表面，然后继续沉积。其中，每层沉积的厚度范围为1～1.5mm，沉积层总厚度范围为5～6mm。
如图2所示，从实施例2对应的金相照片可以看出，加入5wt.％的FeCoCrNiMo高熵合金增强相后，α-Al相明显细化，FeCoCrNiMo高熵合金增强相呈颗粒状弥散分布。
实施例3
本实施例中，激光沉积高熵合金增强铝基复合材料的方法，包括以下步骤：
(1)对激光沉积基板(6061铝合金板)表面进行预处理，以清洗基板表面的污垢、锈蚀等。
(2)将Al-10Si合金粉和FeCoCrNiMo高熵合金粉按照质量比9.25:0.75在行星球磨机中以转速150r/min球磨2小时使粉末混合均匀。
(3)将球磨好的粉末放入真空干燥箱中，在60℃下烘干2小时。
(4)将步骤(3)中制备的混合粉末放置在送粉器中，在氩气保护下进行多层多道激光沉积，激光功率为1200W，扫描速度为240mm/min，光斑直径1.5mm，送粉速度6.5g/min，送气量6L/min。每层沉积结束后，用氮气喷枪清理沉积层表面，然后继续沉积。其中，每层沉积的厚度范围为1～1.5mm，沉积层总厚度范围为5～6mm。
如图3所示，从实施例3对应的金相照片可以看出，加入7.5wt.％的FeCoCrNiMo高熵合金增强相后，FeCoCrNiMo高熵合金增强相呈颗粒状弥散分布，α-Al相进一步细化。
实施例4
本实施例中，激光沉积高熵合金增强铝基复合材料的方法，包括以下步骤：
(1)对激光沉积基板(6061铝合金板)表面进行预处理，以清洗基板表面的污垢、锈蚀等。
(2)将Al-10Si合金粉和FeCoCrNiMo高熵合金粉按照质量比9:1在行星球磨机中以转速150r/min球磨2小时使粉末混合均匀。
(3)将球磨好的粉末放入真空干燥箱中，在60℃下烘干2小时。
(4)将步骤(3)中制备的混合粉末放置在送粉器中，在氩气保护下进行多层多道激光沉积，激光功率为1200W，扫描速度为240mm/min，光斑直径1.5mm，送粉速度6.5g/min，送气量6L/min。每层沉积结束后，用氮气喷枪清理沉积层表面，然后继续沉积。其中，每层沉积的厚度范围为1～1.5mm，沉积层总厚度范围为5～6mm。
如图4所示，从实施例4对应的金相照片可以看出，加入10wt.％的FeCoCrNiMo高熵合金增强相后，α-Al相明显细化，FeCoCrNiMo高熵合金增强相呈小树枝状。
实施例5
本实施例中，激光沉积高熵合金增强铝基复合材料的方法，包括以下步骤：
(1)对激光沉积基板(6061铝合金板)表面进行预处理，以清洗基板表面的污垢、锈蚀等。
(2)将Al-10Si合金粉和FeCoCrNiMo高熵合金粉按照质量比8.75:1.25在行星球磨机中以转速150r/min球磨2小时使粉末混合均匀。
(3)将球磨好的粉末放入真空干燥箱中，在60℃下烘干2小时。
(4)将步骤(3)中制备的混合粉末放置在送粉器中，在氩气保护下进行多层多道激光沉积，激光功率为1200W，扫描速度为240mm/min，光斑直径1.5mm，送粉速度6.5g/min，送气量6L/min。每层沉积结束后，用氮气喷枪清理沉积层表面，然后继续沉积。其中，每层沉积的厚度范围为1～1.5mm，沉积层总厚度范围为5～6mm。
如图5所示，从实施例5对应的金相照片可以看出，加入12.5wt.％的FeCoCrNiMo高熵合金增强相后，α-Al相明显细化，树枝状的FeCoCrNiMo高熵合金增强相明显长大。
实施例6
本实施例中，激光沉积高熵合金增强铝基复合材料的方法，包括以下步骤：
(1)对激光沉积基板(6061铝合金板)表面进行预处理，以清洗基板表面的污垢、锈蚀等。
(2)将Al-10Si合金粉和FeCoCrNiMo高熵合金粉按照质量比8.5:1.5在行星球磨机中以转速150r/min球磨2小时使粉末混合均匀。
(3)将球磨好的粉末放入真空干燥箱中，在60℃下烘干2小时。
(4)将步骤(3)中制备的混合粉末放置在送粉器中，在氩气保护下进行多层多道激光沉积，激光功率为1200W，扫描速度为240mm/min，光斑直径1.5mm，送粉速度6.5g/min，送气量6L/min。每层沉积结束后，用氮气喷枪清理沉积层表面，然后继续沉积。其中，每层沉积的厚度范围为1～1.5mm，沉积层总厚度范围为5～6mm。
如图6所示，从实施例6对应的金相照片可以看出，加入15wt.％的FeCoCrNiMo高熵合金增强相后，α-Al相明显细化，FeCoCrNiMo高熵合金增强相变为粗大的树枝状。
如图7所示，从实施例1至6对应的硬度测量图片可以看出，随着高熵合金含量的增加，沉积层的硬度也随之增加。当FeCoCrNiMo质量分数为15％wt时硬度最高，是未添加FeCoCrNiMo的熔覆层硬度的2.35倍。
实施结果表明，本发明工艺简单，操作方便，复合材料晶粒尺寸细小，增强相分布均匀，力学性能好，其硬度可以达到70HV以上，并且提高了耐磨损性能。
应该理解，这里讨论的实施例和实施方案只是为了说明，对熟悉该领域的人可以提出各种改进和变化，这些改进和变化将包括在本申请的精神实质和范围以及所附的权利要求范围内。
Claims (4)
1.一种激光沉积高熵合金增强铝基复合材料的方法，其特征在于，以FeCoCrNiMo高熵合金为增强相，控制FeCoCrNiMo高熵合金增强相的质量分数分别为5wt.％、7.5wt.％、10wt.％、12.5wt.％或15wt.％。
2.如权利要求1所述的激光沉积高熵合金增强铝基复合材料的方法，其特征在于，采用同轴送粉法，所用激光器为光纤激光加工器，激光功率为1200w，光斑直径1.5mm，扫描速度240mm/min，送粉速度6.5g/min，送气量6L/min，在氩气保护下进行多道多层激光沉积，得到高熵合金增强铝基复合材料。
3.如权利要求1所述的激光沉积高熵合金增强铝基复合材料的方法，其特征在于，高熵合金增强铝基复合材料中，当FeCoCrNiMo增强相的质量分数分别为5wt.％或7.5wt.％时，增强相主要呈颗粒状；当FeCoCrNiMo增强相的质量分数分别为10wt.％、12.5wt.％或15wt.％时，增强相为枝状，且增强相含量越多，枝状增强相越粗大。
4.如权利要求1至3之一所述的激光沉积高熵合金增强铝基复合材料的方法，其特征在于，激光沉积用原料取颗粒度为45～75μm的Al-10Si基体粉末和FeCoCrNiMo增强相粉末，按Al-10Si基体粉末和FeCoCrNiMo增强相粉末的质量配比分别为9.5:0.5、9.25:0.75、9:1、8.75:1.25或8.5:1.5，放入球磨机中球磨使粉末混合均匀。
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-
2022
- 2022-09-26 CN CN202211175410.0A patent/CN115488329A/zh active Pending
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