CN115928066A

CN115928066A - 一种激光熔覆高硬度高耐磨高熵合金涂层及其制备方法

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Publication number: CN115928066A
Application number: CN202310031064.7A
Authority: CN
Inventors: 景财年; 李兆通; 冯燕; 吴忠林; 杨楚; 徐俊杰; 李宁; 刘泽姣; 林涛; 赵静蕊; 吴金标; 祝宇航; 李振威; 刘娜娜; 黄秋悦
Original assignee: Shandong Jianzhu University
Current assignee: Shandong Jianzhu University
Priority date: 2023-01-10
Filing date: 2023-01-10
Publication date: 2023-04-07

Abstract

本发明公开了一种激光熔覆高硬度高耐磨高熵合金涂层及其制备方法。高熵合金涂层由Al、Co、Cr、Fe、Ni元素和Nb组成，可表示为Al_0.5CoCrFeNiNbx，x取值范围为0‑0.4；Al_0.5CoCrFeNiNb_x成分为：Fe：20.23%~23.37%，Co：21.43%~24.66%，Cr:18.83%~21.76，Ni:21.26%~24.56%,Al:4.89%~5.65%,余量为Nb。步骤如下：准确称量上述各元素质量，放入混粉机充分混合，经烘干后放入同轴送粉器，然后在H13钢表面进行激光熔覆。工艺参数：激光功率：900~1800W，激光扫描速度：5~10mm/s，光斑直径：4mm/s，保护气流量：10~20L/min，搭接率30%~50%，送粉速度13~15g/min。本发明能在H13钢基材表面制备出高硬度、高耐磨性能的高熵合金涂层。

Description

一种激光熔覆高硬度高耐磨高熵合金涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种激光熔覆高硬度高耐磨高熵合金涂层及其制备方法，属于材料表面强化技术领域。特别涉及一种在H13热作模具钢表面制备高硬度高耐磨Al_0.5CoCrFeNiNb_x高熵合金涂层。

背景技术

近年来，激光熔覆技术在表面强化及修复领域兴起，激光熔覆是运用高能激光束将合金粉末熔化，在材料表面快速形成一种熔覆层。激光熔覆具有效率高、稀释率低、热影响区小、快冷快凝细化晶粒的特点，成为材料表面涂层制备的不二之选。

高熵合金的出现打破了传统一元/二元合金的桎梏，高熵合金最早是由中国台湾学者叶均蔚提出，是指至少由5种元素（最多不超过13种）等原子比或近等原子比组成的合金。由于高熵合金具有较高的结构熵，这使得合金往往形成单一的固溶体，而并非金属间化合物；并且由于高熵合金所具备的迟滞扩散效应、鸡尾酒效应、晶格畸变效应、热稳定性，这使得高熵合金具有优良的强度、塑性、耐磨、耐腐蚀、抗高温氧化等性能，常服役于模具修复、航空航天、船舶、石油化工等工业领域，具有非常广阔的应用前景。Al_0.5CoCrFeNi型高熵合金，其具有良好的强度和塑性，Nb元素具有较大的原子半径，加入Al_0.5CoCrFeNi高熵合金内可引起晶格畸变，并且能产生坚硬的第二相，生成共晶组织，大幅改善涂层的硬度及耐磨等性能。

高熵合金所具有的高性能是显而易见的，但是若用其直接来制备工装，在带来高服役性能的同时，势必也增加了高昂的成本；若工业领域工装或零部件磨损后直接更换新的，也会造成大量成本的损失。

发明内容

为制备出高硬度高耐磨的高熵合金涂层，使其更好地服役于模具表面，本发明选用H13热作模具钢做为基材进行激光熔覆处理。

为达到上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种激光熔覆高硬度高耐磨高熵合金涂层，高熵合金粉末由Fe、Co、Cr、Ni、Al和Nb元素组成，所得熔覆涂层表达式为Al_0.5CoCrFeNiNb_x，其中x取值范围为0~0.4，涂层的合金质量百分比为：Fe：20.23%~23.37%，Co：21.43%~24.66%，Cr:18.83%~21.76，Ni: 21.26%~24.56%, Al:4.89%~5.65%, 余量为Nb。

一种激光熔覆高硬度高耐磨高熵合金涂层的制备方法，按照以下步骤进行制备：选用粒径为50~120μm且纯度≥99.5%的Fe、Co、Cr、Ni、Al、Nb球形粉末，用电子天平准确称量各元素的质量，然后置入混粉机，混粉机内部充满氩气，混粉机转速70rad/min，混粉时间为5h；将混合完成后的粉末在170℃的烘箱内烘干2h；将烘干完成后的混合粉末放入同轴送粉器经同轴送粉器将混合完成的粉末吹向H13钢表面进行熔覆处理，形成激光熔覆涂层，激光熔覆设备工艺参数为离焦量：5mm，激光功率：900~1800W，激光扫描速度：5~10mm/s，光斑直径：4mm/s，保护气流量：10~20L/min，搭接率30%~50%，送粉速度13~15g/min。

本发明制备出具有良好的成形质量的高熵合金涂层，涂层兼具高硬度及高耐磨等优良性能，工艺重复性和可操作性都大大提高，使得高熵合金在激光材料表面改性上得到推广应用。

本发明有益效果:

(1)本发明运用激光熔覆技术制备出Al_0.5CoCrFeNiNb_x（x=0~0.4）高熵合金涂层，涂层与H13钢基材具有良好的结合性，由于固溶强化和laves相的生成所得涂层具有高硬度及耐磨性能；

(2)大原子半径的Nb元素的加入使涂层内部发生严重的晶格畸变，并且使高熵合金涂层逐渐共晶化，涂层兼具高熵合金和共晶合金的优点；

(3) 所发明涂层与熔铸块状高熵合金相比，具有明显节约成本的优势，表面无缺陷裂纹，可以很好的服役于H13热作模具钢表面，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明激光熔覆流程示意图；

图2为本发明实施案例1-3的XRD图；

图3为本发明实施案例1-3 SEM组织图；

图4为本发明实施案例2 EDS元素分布图；

图5为本发明实施案例3 EDS元素分布图；

图6为本发明实施案例1-3硬度图；

图7为本发明实施案例1-3摩擦系数图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案，所选用金属粉末规格如表1所示：

表1 金属粉末规格

选用H13热作模具钢做为基体材料，有利于进一步验证涂层应用于模具修复再制造行业的效果，在熔覆前将基体材料经砂轮机打磨和200#、400#砂纸粗磨去除表面缺陷和氧化物，采用酒精和丙酮溶液对表面进行清洗并吹干。H13钢具体化学成分（质量分数，%）如表2所示：

表2 H13热作模具钢成分表

C

Si

Mn

Cr

Mo

V

P

S

Fe

0.35

0.80

0.3

5.5

1.75

0.9

≤0.03

余量

按照下述方法进行具体实施：

实施案例1

1.按照摩尔比对高熵合金粉末AlCoCrFeNiNb_x（x=0）进行配比计算，其中Al、Co、Cr、Fe、Ni具体质量分数为：Al：5.65wt.%、Co：24.66wt.%、Cr：21.76 wt.%、Fe：23.37wt.%、余量为Ni。采用电子天平准确称量各成分质量。

2.将称量完毕的合金粉末放入充满Ar气的混粉机中混粉5h，使之混合均匀。

3.将混合均匀的合金粉末体系，放入真空烘干箱中170℃烘干2h，烘干完毕后进行研磨2h，并将研磨好的粉末装到同轴送粉器。

4.用砂轮机打磨H13钢基体表面，接着用400#的砂纸进行打磨至表面光滑整洁，然后用丙酮和酒精分别对被打磨表面去除杂质和氧化层。

5.用光纤激光器进行熔覆，具体工艺为：激光功率为1000W，光斑直径为4mm，扫描速度为6mm/s，40%搭接率，离焦量6mm，使用纯度为99.5%的氩气作为保护气体，气流量为10L/min，激光熔覆流程示意图如图1所示。

6.运用线切割将熔覆完成后的涂层进行制样；然后进行测试，XRD如图2所示，涂层由FCC相组成；微观组织如图3（a）所示，主要由块状黑色固溶体和灰色基底组成，组织分布均匀致密；硬度曲线如图6所示，涂层平均硬度为476HV_0.5，约为基材硬度的1.9倍；摩擦系数曲线如图7所示，平均摩擦系数为0.76，比基材H13钢摩擦系数降低了0.27。

实施案例2

1.按照摩尔比对高熵合金粉末AlCoCrFeNiNbx（x=0.2）进行配比计算，其中Al、Co、Cr、Fe、Ni具体质量分数为：Al：5.24wt.%、Co：22.88wt.%、Cr：20.19 wt.%、Fe：21.68wt.%、Ni：22.79 wt.%，余量为Nb。采用电子天平准确称量各成分质量。

5.用光纤激光器进行熔覆，具体工艺为：激光功率为1200W，光斑直径为4mm，扫描速度为8mm/s，50%搭接率，离焦量6mm，使用纯度为99.5%的氩气作为保护气体，气流量为10L/min。

6.运用线切割将熔覆完成后的涂层进行制样，然后进行测试，XRD如图2所示，涂层由FCC相和Laves组成；微观组织如图3（b）所示，主要由液滴状固溶体和灰色基底组成，在液滴状固溶体内部存在片层状共晶组织；图4为本实施例的EDS元素扫描图，液滴状固溶体为富Nb的Laves相；硬度曲线如图6所示，涂层平均硬度为494HV_0.5，约为基材硬度的2.0倍；硬度曲线如图7所示，摩擦系数曲线如图7所示，平均摩擦系数为0.57，比基材H13钢摩擦系数降低了0.46。

实施案例3

1.按照摩尔比对高熵合金粉末AlCoCrFeNiNbx（x=0.4）进行配比计算，其中Al、Co、Cr、Fe、Ni具体质量分数为：Al：4.89wt.%、Co：21.43wt.%、Cr：18.83 wt.%、Fe：20.23wt.%、Ni：21.26 wt.%，余量为Nb，采用电子天平准确称量各成分质量。

5.用光纤激光器进行熔覆，具体工艺为：激光功率为1400W，光斑直径为4mm，扫描速度为7mm/s，40%搭接率，离焦量6mm，使用纯度为99.5%的氩气作为保护气体，气流量为16L/min。

6.运用线切割将熔覆完成后的涂层进行制样，然后进行测试，XRD如图2所示，涂层由FCC相和Laves组成；微观组织如图3（c）所示，主要由共晶胞组成，共晶胞内部为片层状共晶组织，组织分布均匀细小；图5为本实施例的EDS元素扫描图，可以看出元素分布相对均匀，片层状共晶组织与Laves相共同存在；硬度曲线如图6所示，涂层平均硬度为561HV_0.5，约为基材硬度的2.2倍；摩擦系数曲线如图7所示，平均摩擦系数为0.66，比基材H13钢摩擦系数降低了0.37。

综上所述实施案例1、2、3，所提供的高熵合金摩尔及质量百分比含量，在激光熔覆技术的制备下均能得到优于H13钢的涂层，硬度及耐磨性能显著提高，可以服役于模具表面强化或改性等领域。

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种激光熔覆高硬度高耐磨高熵合金涂层及其制备方法，其特征是：涂层由Fe、Co、Cr、Ni、Al和Nb元素组成，表达式为Al_0.5CoCrFeNiNb_x，其中x取值范围为0~0.4,涂层的合金成分为：Fe：20.23%~23.37%，Co：21.43%~24.66%，Cr:18.83%~21.76，Ni: 21.26%~24.56%,Al:4.89%~5.65%, 余量为Nb。

2.根据权利要求1所述的一种激光熔覆高硬度高耐磨高熵合金涂层及其制备方法，其特征是：按照以下步骤进行制备：

a.准确称量各元素粉末，将粒径为50~120μm且纯度≥99.5%的球形粉末置入充满纯度≥99.9%氩气的混粉机充分混合，将混合完成的粉末在170℃烘干两小时，后置入激光熔覆同轴送粉器；

b.选用H13钢做为熔覆基体，在熔覆涂层制备前需将钢表面打磨光滑，并用酒精和丙酮溶液将表面清洗干净；

c.经同轴送粉器将混合完成的粉末吹向H13钢表面进行熔覆处理，形成激光熔覆涂层；工艺参数：离焦量：5mm，激光功率：900~1800W，激光扫描速度：5~10mm/s，光斑直径：4mm/s，保护气流量：10~20L/min，搭接率30%~50%，送粉速度13~15g/min。