一种铜单元素基合金激光高熵合金化所用粉料及制备工艺的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于表面工程技术领域，特别是涉及一种在铜单元素基合金基材表面激光 反应合成制备高熵合金化涂层所用粉料的配方及工艺方法。
【背景技术】
[0002] 与传统合金不同，多主元高商合金突破了以1种或2种金属元素为主元传统合金 的设计理念，其含有5-13种元素，且各种元素以等摩尔比或近等摩尔比组成，每种元素的 原子分数在5% -35%之间，是一种崭新的合金设计理念。高熵合金具有多种有别于传统合 金的组织和性能特点。根据传统冶金学原理，多主元合金通常极易导致多种金属间化合物 的形成，且在固溶过程中易出现其他复杂有序相。然而，高熵合金趋向于形成简单固溶体结 构（FCC面心立方、BCC体心立方或其混合结构），这是由于合金高的混合结构熵所致。高熵 合金通常拥有较高的强度、韧性、硬度，优异的抗高温软化，抗氧化及耐腐蚀性能，这些性能 在石油、化工、冶金、航空航天等工业领域具有极大的潜在应用价值。
[0003] 采用热喷涂和激光熔覆等快速凝固表面改性技术在低成本金属材料表面涂覆高 性能高熵合金涂层具有良好的应用前景。但由于高熵合金粉料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、热喷涂等表面改性技术难以获得成分均匀的涂层，从而导致涂层的成形质量和表 面连续性难以满足实际应用的要求。
[0004] 众所周知，铜合金具有良好的导热性能，常用来制备结晶器等重要的导热部件，然 而铜对激光的反射率很高，在激光熔覆、合金化过程表面改性层成形性相对较差，目前在 铜及其合金上采用激光熔覆或合金化制备高熵合金改性层的研宄国内外均鲜有报道。
【发明内容】
[0005] 发明目的：
[0006] 本发明涉及一种铜单元素基合金激光高熵合金化所用粉料及其制备工艺，其目的 是为了解决铜单元素基合金硬度较低，耐磨性较差、涂层材料与基体材料热物理性能不匹 配、涂层易于开裂及与铜基合金基材结合不良等弊端，为制备具有较高力学性能与高环境 抗力的新型复合材料提供一种崭新的途径。
[0007] 技术方案：
[0008] 本发明是通过以下技术方案来实现的：
[0009] -种铜单元素基合金激光高商合金化所用粉料，其特征在于：该合金粉料成分是 由四种金属元素组成，分别是Fe、Co、Cr、A1，按等摩尔比配制合金粉末。
[0010] 所述合金粉料Fe、Co、Cr、Al单质金属元素粉末纯度不低于99. 9%，且涂层合金粉 料的粒度为45-100微米。
[0011] 所配置的合金粉料需在行星式球磨机中球磨或研钵中研磨混合2-5小时，混合粉 料球磨或研磨均在室温下进行，温度为23 ± I °C，相对湿度为40 ± 10 %。
[0012] -种铜单元素基合金表面激光高熵合金化涂层的制备方法，其特征在于：按上述 比例称量，混合Fe、Co、Cr、Al四种金属粉末，混合粉末采用球磨或研磨，然后将混合均匀的 粉料置于真空干燥箱中干燥2-8小时，干燥后的合金粉末预置于铜基材表面，预置合金粉 末厚度〇. 5-0. 7_ ;利用Nd:YAG固体脉冲激光器进行单道次和多道次激光辐照，具体的工 艺参数为：电压380V，电流130-210A，光斑直径I. 2mm，激光束波长1064nm，扫描速度4mm/ s ;激光合金化过程保护气氩气流量为10_20L/min，大面积激光束扫描搭接率50% ;铜单 元素基合金基材主元素铜在激光辐照时熔入合金化层参与了表面合金化过程，所制备的 FeCoCrAlCu激光高熵合金化层厚度为0. 3-0. 5mm。
[0013] 按摩尔比1: 1: 1:1配制FeCoCrAl合金粉末，将配制的粉料经研磨烘干后预置于铜 基材表面，预置合金粉末厚度0. 5-0. 7mm ;利用500W NchYAG固体脉冲激光器进行单道次和 多道次辐照，具体的工艺参数为：电压380V，电流130-190A，光斑直径I. 2mm，扫描速度4mm/ s，激光合金化过程保护气氩气流量为10_20L/min，铜单元素基合金基材主元素铜在激光辐 照时熔入涂层参与了表面合金化过程，获得激光合金化层厚度为0. 3-0. 5mm。
[0014] 激光辐照工艺参数为：电流150-170A。
[0015] 优点及效果：
[0016] 本发明提供一种铜单元素基合金激光高熵合金化所用粉料及制备工艺，具有以下 优点：
[0017] 本发明的粉料通过激光辐照反应合金化技术作用于Cu单元素基合金表面，解决 了现阶段制备的高熵合金涂层粉末中不同种类的金属元素与其基体材料之间在密度、熔 点、比热和膨胀系数等热物理性能方面存在较大差异，从而造成涂层材料与基体材料热物 理性能不匹配，激光辐照快速熔凝过程涂层开裂及与基体合金材料结合不良的弊端，可显 著提高铜单元素基合金表面的硬度及耐磨损性能。
[0018] 本发明涉及的合金涂层粉料经激光辐照反应合金化技术所制备的高熵合金涂层 能避免传统多元合金凝固过程中大量脆性相和金属间化合物析出的问题，涂层具有简单的 FCC或BCC固溶体相结构，从而大大降低多元合金的脆性，具有高硬度、耐磨损、耐高温、耐 腐蚀等优异的物理、化学性能。
【附图说明】
[0019] 图1为FeCoCrAl四元合金粉末X-射线衍射谱图；
[0020] 图2为在铜基材表面制备的FeCoCrAlCu激光高熵合金化层X-射线衍射谱图；
[0021] 图3为铜基材表面FeCoCrAlCu激光高熵合金化层截面宏观形貌图；
[0022] 图4为FeCoCrAlCu激光高熵合金化层与基材界面微观组织形貌图；
[0023] 图5为FeCoCrAlCu激光高熵合金化层与铜基材界面附近沿A1A2线EDS元素定性 成份分布曲线；
[0024] 图6为FeCoCrAlCu激光高熵合金化层各区域组织形貌及EDS选区成份分析位置 示意图。其中，图6(a)表层，图6(b)中部，图6(c)界面；
[0025] 图7为FeCoCrAlCu激光高熵合金化层截面硬度分布曲线图；
[0026] 图8为FeCoCrAlCu激光高熵合金化层与基材界面附近区域显微硬度压痕形貌 图；
[0027] 图9为FeCoCrAlCu激光高熵合金化层表面及基材纳米硬度深度与载荷关系曲 线；
[0028] 图10为采用较低能量密度（I = 130A)激光辐照条件下，铜基材表面FeCoCrAl/Cu 合金涂层宏观形貌图；
[0029] 图11为采用较低能量密度（I = 130A)激光辐照条件下，FeCoCrAl/Cu合金涂层 与基材界面组织形貌图；
[0030] 图12为采用不同能量密度（I = 130A-210A)激光辐照条件下，FeCoCrAl/Cu合金 改性层宏观形貌图。
【具体实施方式】
[0031] 下面结合附图对本发明做进一步的说明：
[0032] 本发明涉及一种用于铜单元素基合金基材表面激光高熵合金化所用的粉料及制 备工艺。通过高能束激光辐照，利用单元素基合金基材主要组成元素 Cu熔入涂层材料，通 过反应合成技术制备含基材主元的高熵合金涂层，用于解决涂层材料与基体材料热物理性 能不匹配、涂层易于开裂及与铜基合金基材结合不良等弊端。
[0033] 本发明采用激光表面合金化方法，在铜单元素基合金表面制备含基材主元的五元 及以上高摘合金化改性层，以形成单元素基合金基材与多主元合金表层，或低摘合金基材 与高熵合金表层相结合的新型复合材料，为制备具有较高力学性能与高环境抗力的新型复 合材料提供一种崭新的途径。
[0034] 本发明涉及一种铜单元素基合金表面激光高熵合金化所用粉料及制备工艺，即一 种在铜单元素基合金表面通过激光辐照反应合成制备FeCoCrAlCu高熵合金化涂层材料所 用的粉料，其特征在于：该合金粉料是由Fe、Co、Cr、Al四种金属元素按等摩尔比组成。
[0035] 所述的粉料由Fe、Co、Cr和Al四种金属元素组成，各元素粉末所占摩尔比为 1: 1: 1:1，其中所用各种金属单质粉末纯度不低于99. 9%，合金粉料的粒度为45-100微米。
[0036] 所配置的合金粉料需在行星式球磨机中球磨或研钵中研磨混合2-5小时，混合粉 料球磨或研磨均在室温下进行，温度为23 ± I °C，相对湿度为40 ± 10 %。而后将混合均匀的 粉料置于真空干燥箱中干燥2-8小时。图1为FeCoCrAl四元混合粉末X-射线衍射谱图。
[0037] 利用数控线切割机床将铜基体材料加工成所需用的样品尺寸，基材待激光处理表 面依次打磨至600号SiC金相砂纸，而后喷砂，并用酒精或丙酮超声波清洗干燥备用。
[0038] 将干燥后的FeCoCrAl合金粉末预置于铜基材表面，预置合金粉末厚度为 0. 5-0. 7mm。利用Nd:YAG固体脉冲激光器进行单道次和多道次的激光辐照合金化处理，具 体的工艺参数为：电压380V，电流130-210A，光斑直径I. 2mm，扫描速度4mm/s，激光合金化 过程保护气氩气流量为10_20L/min，单元素基合金基材主元素铜在激光辐照时熔入合金化 层（即涂层）参与了表面合金化过程，所获得激光合金化层厚度为〇. 3-0. 5mm。
[0039] 以下结合实施例详述本发明，但本发明保护范围不局限于下述实施例。
[0040] 实施例1
[0041] FeCoCrAl四元合金粉末的制备。
[0042] 按等摩尔比1: 1: 1:1配置FeCoCrAl四元合金粉末，将配置的合金粉料需置于星式 球磨机中球磨或研钵中研磨混合2-5小时。混合粉料球磨或研磨均在室温下进行，温度为 23 ± I °C，相对湿度为40 ± 10 %。然后将混合均匀的粉料置于真空干燥箱中干燥2-8小时备 用，球磨过程中合金粉末未发生反应。
[0043] 实施例2
[0044] 铜基材表面FeCoCrAlCu激光高熵合金化层的制备。
[0045] 按等摩尔比1: 1: 1:1制备FeCoCrAl合金粉末，将配制的粉料经研磨烘干后预置于 铜基材表面，预置合金粉末厚度〇. 5-0. 7_。利用NchYAG固体脉冲激光器进