一种铁基合金表面制备高熵合金基复合材料改性层用粉料的制作方法
【技术领域】：
[0001] 本发明提供了一种在铁单兀素基合金表面激光合金化制备高熵合金基复合材料 改性层所用的粉料及高熵合金基复合材料改性层的制备工艺方法。
【背景技术】：
[0002] 20世纪90年代，我国台湾学者率先突破了传统合金设计模式，提出了新的合金设 计理念，并成功地制备出多主元高熵合金，又叫高混乱度合金、多主元高功能合金等。近年 来，国内外研究者对高熵合金已经有了一定的研究，而对传统复合材料组织性能及复合增 强体形成的研究更是取得了众多长足的进展，但对高熵合金基复合材料研究及制备方法的 文献报道很少，对于制备高熵合金基复合材料改性层的介绍更是鲜有报道。
[0003] 根据以往对高熵合金的研究，高熵合金基复合材料的硬度与形成合金的元素及增 强相的种类及含量有关，可以在很大范围内变化。与传统合金相比如果高熵合金的成分设 计合理，其合金的硬度会有很大程度的提高。对于高熵合金基复合材料，在加入增强相之 后，其硬度及其他性能也将在原有高熵合金的基础上有所改善。
[0004] 相对而言，采用激光合金化等快速熔凝表面技术在低成本金属材料表面制备高性 能高熵合金改性层具有良好的应用前景。但由于高熵合金粉末成分组成较为复杂，其中不 同种类的金属元素之间，各种金属元素与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，直接用于激光熔覆、合金化、热喷涂等表面强化技术难以得到 成分均匀的改性层，改性层的成型质量和表面连续性无法满足生产使用要求。
【发明内容】
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[0005] 发明目的：
[0006] 本发明是通过激光辐照，利用铁单元素基合金基材的主要组成元素铁与涂层材料 反应合成制备高熵合金基复合材料改性层，用于解决改性层材料与基体材料热物理性能不 匹配，改性层开裂及与基体材料结合不良等问题，以及在高熵合金涂层材料的基础上制备 出性能优异的高熵合金基复合材料改性层，为此发明一种采用激光表面合金化技术制备高 熵合金基复合材料改性层所用的粉料及工艺方法。
[0007] 本发明的目的是采用激光快速熔化凝固表面合金化方法，设计含有增强相的高熵 合金基复合材料粉料，在铁单元素基合金表面制备出含有基材主元铁的多主元(五主元及 以上）高熵合金基复合材料改性层，以形成单主元基合金基材与多主元基合金表层以及多 主元基高熵合金与陶瓷增强相结合的新型复合材料，改性层与铁单元素基合金基材形成了 良好的冶金结合，这样有望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 种可能的途径。
[0008] 技术方案：
[0009] 本发明是通过以下技术方案来实现的：
[0010] 一种铁基合金表面制备高熵合金基复合材料改性层所用粉料，其特征在于：通过 激光反应合成制备高熵合金基复合材料改性层所用的粉料，该粉料由两部分组成，一部分 是高熵合金粉料，另一部分是陶瓷增强相粉料；该高熵合金粉料成分主要由5种纯金属粉 末组成，分别为Fe、Co、Cr、A1和Cu，所述的每种纯金属粉末含量占高熵合金粉料总摩尔数 的5~35%，陶瓷增强相粉末占粉料总量的1~50Wt%。
[0011] 形成高熵合金基复合材料改性层所用的陶瓷增强相粉末选用TiB、TiB2、TiC、WC、 A1203、B4C、AIN、TiN陶瓷粉末。
[0012] 所述高熵合金粉料和陶瓷增强相粉料各种粉末的纯度不低于99. 9%，且涂层合金 粉料的粒度为35~100微米。
[0013] 涂层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。
[0014] 一种如上所述的铁基合金表面制备高熵合金基复合材料改性层的工艺方法，其特 征在于：按权利要求1的比例称量、混合Fe、Co、Cr、A1和Cu金属粉末及陶瓷增强相粉料， 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铁基合金表面，预置合金粉末厚度〇. 5~1. 5_ ;利用固体脉冲激光 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120~190A，光斑直 径1. 2mm，扫描速度3~5mm/s;采用DLA61300半导体激光器，激光输出功率2kW，激光波长 980 ± 10nm，光斑直径3mm，扫描速度为5~40mm/s，大面积激光束扫描搭接率为50%，激光合 金化过程保护气氩气流量为10~20L/min，铁单元素基合金基材主元素铁在激光辐照时熔 入涂层参与了表面合金化过程，获得高熵合金基复合材料改性层厚度为〇. 5~1. 5mm。
[0015] 按等摩尔比制备FeCoCrAlCu合金粉末，添加10Wt%TiC粉末，将所配制的粉料经研 磨烘干后预置于Q235钢基材表面，预置合金粉末厚度0. 5~1. 5mm;利用ZQM-SD型500W Nd:YAG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 120~180A，光斑直径1. 2mm，扫描速度3~5mm/s，采用DLA61300半导体激光器，激光输出 功率2kW，激光波长980± 10nm，光斑直径3mm，扫描速度为5~40mm/s，大面积激光束扫描 搭接率为50%，激光合金化过程保护气氩气流量为10~20L/min，获得的高熵合金基复合材 料改性层厚度为〇? 5~1. 2mm。
[0016] 优点及效果：
[0017] 本发明涉及一种铁单元素基合金基材表面激光合金化制备高熵合金基复合材料 改性层所用粉料及工艺方法，具有如下优点：
[0018] 本发明的粉料作用于铁单元素基合金表面，主要解决现阶段制备的高熵合金粉末 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，从而造成改性层材料与基体材料热物理性能不匹配，激光辐照快速熔凝 导致改性层开裂及与基体合金材料结合不良等问题，陶瓷增强相的加入可进一步改善高熵 合金改性层的性能。
[0019] 本发明涉及的高熵合金基复合材料粉料及其所制备的激光合金化改性层，避免了 传统多元合金凝固过程组织中大量金属间化合物脆性相析出的问题，所制备的复合材料改 性层基体为具有简单BCC或FCC结构的固溶体，其上弥散分布着所设计粉末中含有陶瓷增 强相。激光合金化法制备的高熵合金基复合材料改性层具有高硬度、耐磨损、耐高温、耐腐 蚀等优异的物理化学性能。
【附图说明】：
[0020] 图1为FeCoCrAlCu及FeCoCrAlCu+10Wt%TiC合金粉末X-射线衍射谱图，其中，（a) FeCoCrAlCu， （b)FeCoCrAlCu+10Wt%TiC。
[0021] 图2为球-盘式摩擦磨损试验机工作原理图。
[0022] 图3为Q235钢表面FeCoCrAlCu激光合金化截面宏观形貌图。
[0023] 图4为Q235钢表面FeCoCrAlCu+10Wt%TiC激光合金化层截面宏观形貌图。
[0024] 图5为Q235钢表面FeCoCrAlCu+30Wt%TiC激光合金化层截面宏观形貌图。
[0025] 图6为Q235钢表面FeCoCrAlCu+50Wt%TiC激光合金化层截面宏观形貌图。
[0026] 图7为FeCoCrAlCu+10Wt%TiC激光合金化层界面附近EDS元素定性分布线扫描 图。
[0027] 图8为Q235钢表面FeCoCrAlCu+x%TiC(x=0, 10, 30)激光合金化改性层X-射线 衍射谱图。
[0028] 图9为FeCoCrAlCu激光高熵合金化改性层中部微观组织形貌图。
[0029] 图10为FeCoCrAlCu+10Wt%TiC激光高熵合金化改性层中部微观组织形貌图。
[0030] 图11为FeCoCrAlCu+30Wt%TiC激光高熵合金化改性层中部微观组织形貌图。
[0031] 图12为FeCoCrAlCu+x%TiC(x=0, 10, 30, 50)激光高熵合金化改性层截面硬度分 布曲线图。
[0032] 图13为FeCoCrAlCu激光合金化改性层磨损样品表面磨痕形貌图。
[0033] 图14为FeC〇CrAlCu+10Wt%TiC激光合金化层磨损样品表面磨痕形貌图。
[0034] 图15为FeC〇CrAlCu+30Wt%TiC激光合金化层磨损样品表面磨痕形貌图。
【具体实施方式】：
[0035] 将所述的Fe、Co、Cr、A1和Cu五种金属粉末按照一定摩尔比称量，选择陶瓷粉