激光熔覆用高熵合金粉末及熔覆层制备方法和用途
【专利摘要】本发明公开了激光熔覆用高熵合金粉末及熔覆层制备方法和用途，由铁、镍、铬、铝、硅和锰元素粉末组成，所述Fe、Ni、Cr、Al、Si之间为等摩尔比，所述Mn的摩尔比x为0～1。按照各自元素的摩尔比进行配比计算，准确称量各个组分的质量后将其进行充分混合以均匀，和乙醇混合后，均匀涂覆在基体材料表面，干燥后通过激光熔覆即可获得熔覆层，其中基体材料为42CrMo钢。本发明提供了一种高熵合金粉末材料及熔覆层制备方法，获得成形良好的熔覆层，提高材料硬度和耐磨性。
【专利说明】激光熔覆用高熵合金粉末及熔覆层制备方法和用途
【技术领域】
[0001] 本发明涉及多主元激光熔覆材料及熔覆层制备领域，更加具体地说，具体涉及一 种激光熔覆用高熵合金粉末及熔覆层制备方法和用途。
【背景技术】
[0002] 激光熔覆是近年来快速发展的一种表面改性技术，它通过在基材表面添加熔覆材 料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，从而在基材表面形成 冶金结合的熔覆层。传统的激光熔覆粉末是以单一主元为基体的合金体系，如镍基、铁基、 钴基自熔性合金粉末，而多主元高熵合金是上世纪九十年代由我国台湾学者叶均蔚教授提 出的一种新型合金，此种合金设计理念的提出，打破了传统合金单元素为主的设计思想，开 启了一个新的合金设计领域。
[0003] 按照Gibbs相规则，当合金由多种主要元素组成时，F=C - P+1，F为自由度，C为组 元数，P为相数。在恒压下，一个C组元系统中最大的平衡相数P=C+1。因此，高熵合金倾向 于形成简单固溶体，而不是形成金属间化合物，使得合金内相的总数远远低于Gibbs相规 则所允许的数值。高熵效应是造成这种现象的原因。由于高熵效应抑制了脆性金属间化合 物的出现，高熵合金凝固后不仅不会形成数目众多的金属化合物，反而形成简单的体心立 方或面心立方相甚至非晶质，所得相数远远低于平衡相率所预测的相数。因此，通过适当的 合金配方设计，可获得高硬度、高加工硬化、耐高温软化、耐高温氧化、耐腐蚀、高电阻率等 优异特性，可应用于耐高温材料，化工、舰船耐腐蚀性材料，飞机涡轮叶片、高温炉的耐热材 料，具有很大的应用前景。
[0004] 但由于高熵合金粉末中不同种类的金属元素之间及其与基体材料之间密度、熔 点、比热和膨胀系数等热物理性能存在较大差异，直接用于激光熔覆时难以获得表面连续、 成形良好、成分均匀的熔覆层。因此，配制适合于激光熔覆的高熵合金粉末是显得尤为必 要。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种高熵合金粉末材料及熔覆层 制备方法，获得成形良好的熔覆层，提高材料硬度和耐磨性。
[0006] 本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：
[0007] 激光熔覆用高熵合金粉末，由Fe、Ni、Cr、Al、Si和Μη元素粉末组成，即合金粉末 组成表示为FeNiCrAlSiMnx，X为Μη的摩尔比且其取值范围为0?1，具体来说，所述Fe、 Ni、Cr、Al、Si之间为等摩尔比，调整金属Μη的用量，以使其使用摩尔量与Si (或者其余四 种兀素）的摩尔比为0?1，优选0. 3 - 1，更加优选0. 5 -0. 7。
[0008] 在进行制备时，首先按照各自元素的摩尔比进行配比计算，准确称量各个组分的 质量后将其进行充分混合以均匀即可，例如采用电子称称取各种元素的粉末，在研钵中研 磨半小时使其混合均匀。其中选用各个组分均为纯度大于等于99%的粉末，粒径为100- 500目，优选200- 300目。
[0009] 利用本发明的合金粉末应用到激光熔覆焊接中，将激光熔覆用高熵合金粉末和乙 醇混合后，均匀涂覆在基体材料表面，干燥后通过激光熔覆即可获得熔覆层。
[0010] 其中所述乙醇选用分析纯的无水乙醇，在激光熔覆用高熵合金粉末和乙醇混合物 中，按照质量百分数由92?95%的合金粉末与5?8%的乙醇组成。
[0011] 在混合后，形成糊状或骨状，以便于在基体材料表面继续涂覆，经涂覆后在基体材 料表面形成预制层，所述预制层厚度为1 一 2mm。
[0012] 在进行激光熔覆时，选用基体材料为42CrM〇钢，工艺参数为：激光功率为1550? 1650KW，光斑直径为0· 8?1. 0mm，扫描速度为150?200mm/min，离焦量为0mm，保护气体 采用氩气或氦气，气体流量为20?25L/min ;优选激光功率为1580?1620KW，光斑直径为 0. 8?1. 0mm，扫描速度为180?200mm/min，离焦量为0mm，保护气体采用氩气，气体流量为 22 ?25L/min〇
[0013] 与现有技术相比，本发明具有如下优点：
[0014] (1)本发明合金粉末中，除去基本元素铁之外充分发挥各个元素的最大性能，Ni主 要用于提高材料润湿性并改善熔覆层性能，Cr主要通过固溶强化提高熔覆层硬度以及用于 提高熔覆层耐蚀性，A1主要提高熔覆层的抗高温氧化性能，并通过固溶强化作用和增大晶 界滑移阻力来提高熔覆层硬度。此外，由于铝表面极易氧化形成致密的氧化膜，在合金中添 加 A1还可以提高熔覆层的耐蚀性，Si和Μη主要用于脱氧。
[0015] (2)本发明提供了一种高熵合金粉末及熔覆层制备方法，该方法工艺简单，实施简 便，成本适中，具有应用价值。
[0016] (3)本发明制备了成形良好、硬度较高、耐磨性较好的熔覆层。此外，与其他方法相 t匕，激光熔覆获得的涂层与基材结合强度更高。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 图1为FeNiCrAlSi熔覆层宏观形貌。
[0018] 图2为FeNiCrAlSiMn熔覆层宏观形貌。
[0019] 图3为FeNiCrAlSi熔覆层全貌。
[0020] 图4为FeNiCrAlSiMn熔覆层全貌。
[0021] 图5为FeNiCrAlSi熔覆层金相组织。
[0022] 图6为FeNiCrAlSiMn熔覆层金相组织。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。各个金属元素来源如下表所 示：
[0024]
【权利要求】
1. 激光熔覆用高熵合金粉末，其特征在于，由Fe、Ni、Cr、Al、Si和Μη元素粉末组成，即 FeNiCrAlSiMnx，其中所述？6、附、〇41、3;[之间为等摩尔比，所述111的摩尔比1为0?1。
2. 根据权利要求1所述的激光熔覆用高熵合金粉末，其特征在于，所述Μη的摩尔比X 优选0. 3- 1，更加优选0. 5- 0. 7。
3. 根据权利要求1或者2所述的激光熔覆用高熵合金粉末，其特征在于，选用各个组分 均为纯度大于等于99%的粉末，粒径为100- 500目，优选200- 300目。
4. 一种利用如权利要求1所述的激光熔覆用高熵合金粉末制备熔覆层的方法，其特征 在于，将激光熔覆用高熵合金粉末和乙醇混合后，均匀涂覆在基体材料表面，干燥后通过激 光熔覆即可获得熔覆层，在激光熔覆用高熵合金粉末和乙醇混合物中，按照质量百分数由 92?95%的合金粉末与5?8%的乙醇组成。
5. 根据权利要求4所述的制备熔覆层的方法，其特征在于，所述乙醇选用分析纯的无 水乙醇。
6. 根据权利要求4所述的制备熔覆层的方法，其特征在于，在激光熔覆用高熵合金粉 末和乙醇混合后，形成糊状或膏状，以便于在基体材料表面继续涂覆，经涂覆后在基体材料 表面形成预制层，所述预制层厚度为1 一2mm。
7. 根据权利要求4所述的制备熔覆层的方法，其特征在于，在进行激光熔覆时，选用基 体材料为42CrMo钢，工艺参数为：激光功率为1550?1650KW，光斑直径为0. 8?1. 0mm， 扫描速度为150?200mm/min，离焦量为0mm，保护气体采用氩气或氦气，气体流量为20? 25L/min ;优选激光功率为1580?1620KW，光斑直径为0. 8?1. 0mm，扫描速度为180? 200mm/min，离焦量为0mm，保护气体采用氦气，气体流量为22?25L/min。
8. 如权利要求1所述的激光熔覆用高熵合金粉末在激光熔覆中的应用，并提高显微硬 度和耐磨性能。
9. 根据权利要求8所述的激光熔覆用高熵合金粉末在激光熔覆中的应用，其特征在 于，选用基体材料为42CrMo钢。
【文档编号】C23C24/10GK104141084SQ201310471106
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2013年10月10日 优先权日:2013年10月10日
【发明者】罗震, 谈辉, 段瑞, 颜福裕 申请人:天津大学