六元合金粉末在激光熔覆中的应用
【专利说明】
[0001] 本发明申请是母案申请"六元高熵合金粉末及激光熔覆层制备方法和应用"的分 案申请，母案申请的申请日为2013年10月10日，母案申请的申请号为2013104710700。
技术领域
[0002] 本发明涉及多主元激光熔覆用高熵合金粉末及熔覆层制备领域，更加具体地说， 涉及六元高熵合金粉末及激光熔覆层制备方法和应用。
【背景技术】
[0003] 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，高熵合金有别于以单一元素为主的传统合金，它由5~13种元素组成，每种元素的摩 尔分数介于5%~35%间，其性能是由多种主元共同作用决定的。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。由于高熵合金 呈现出很多传统合金不具备的优良特性，例如高硬度、高加工硬化、抗高温软化、耐腐蚀、耐 高温氧化等优异特性，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] 目前，已有通过采用电沉积和磁控溅射的方法制备出高熵合金涂层，但是通过这 些方法得到的涂层太薄，不能满足重载应用场合。激光熔覆具有高的加热和冷却速率，涂层 与基体为冶金结合，结合强度高，涂层厚度最高可达几毫米。此外，激光熔覆的快速凝固特 点能够使合金组织细化，从而获得较高的硬度和耐磨性能。但目前关于激光熔覆高熵合金 涂层的研究较少，还处于起步阶段。
【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] 六元高熵合金粉末，由？6、附、0、六1、5;[和(]11元素粉末组成，即合金粉末组成表示 为?6附0^15;[(]11，具体来说，所述?6、附、〇、41、5;[和(]11之间为等摩尔比，即六种金属元素使 用的摩尔数一致。
[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，将六元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，在六元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。
[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. 〇mm，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主要用于脱氧，Cu主要用于提高熔覆层耐磨性。
[0015] (2)本发明提供了一种由金属元素和非金属元素共同组成的高熵合金粉末，提高 了粉末的自熔性。
[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，性能较基材有了明 显改善。
【附图说明】
[0017] 图1为FeNiCrAlSiCu熔覆层宏观形貌。
[0018] 图2为FeNiCrAlSiCu熔覆层全貌。
[0019] 图3为FeNiCrAlSiCu熔覆层金相组织。
【具体实施方式】
[0020] 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：
[0021]
[0022] 基体材料选用42CrMo钢，采用机械打磨去除氧化物，采用丙酮去除油污，其化学成 分如下表(质量分数％ )所示：
[0023]
[0024]按照下述方法进行实施：
[0025] 1.按照摩尔比进行FeNiCrAlCuMn高熵合金粉末配比计算，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。
[0026] 2.将92~95 %的激光熔覆粉末与5~8 %的乙醇混合成糊状或膏状后，涂覆在基体 材料表面，预制层厚度为1 一 2_，风干后通过激光熔覆即可获得熔覆层。
[0027] 3.选择激光器采用JK2003SM型Nd: YAG进行激光熔覆。
[0028] 4.金相组织观察设备采用OLYMPUS-GX51金相显微镜，生产商：日本OLYMPUS(奥林 巴斯)公司。
[0029] 实施案例1
[0030] 1 ·按照摩尔比进行FeNiCrAlSiCu高熵合金粉末配比计算:Fe为16.67mol %，Ni为 16.67mol%，Cr为 16.67mol%，A1为 16.67mol%，Si为 16.66mol%，Cu为 16.66mol%，总摩尔 比为100%，并采用电子称称取各种元素的粉末。
[0031 ] 2.倒入研钵，在研钵中研磨半小时使其混合均匀。
[0032] 3.将配制好的激光熔覆粉末，92%与8%乙醇混合成糊状或膏状后，涂覆在42CrMo 钢表面，预置层厚度为1mm，风干后进行激光熔覆。
[0033] 4 .激光熔覆工艺参数为：激光功率为1550KW，光斑直径为0.8mm，扫描速度为 180mm/min，离焦量为0_，保护气体采用氩气，气体流量为25L/min。
[0034] 5.激光熔覆后采用王水进行腐蚀，获得了熔覆层的金相照片。
[0035]采用自动转塔数显硬度计测量了熔覆层的显微硬度，实验结果如下表所示，激光 熔覆后平均硬度达到了 523.3HV，比母材显著提高。 「00361
[0037] 采用MM-200型磨损试验机测定了其耐磨性，试样尺寸为7 X 7 X 25mm，摩擦工况为 干磨滑动摩擦，加载为5kg，转速为200r/min，实验时间为lh;用电子称测量前后质量(测量 前用超声波清洗仪清洗），实验结果如下表所示。可以看出，母材的失重是熔覆层的11.49 倍，与母材相比，熔覆层的耐磨性显著提高。
[0038]
[0039] 实施案例2
[0040] 1.将配制好的激光熔覆粉末，95 %与5 %乙醇混合成糊状或膏状后，涂覆在42CrMo 钢表面，预置层厚度为2mm，风干后进行激光熔覆。
[0041 ] 2 .激光熔覆工艺参数为：激光功率为1650KW，光斑直径为1.0mm，扫描速度为 200mm/min，离焦量为0mm，保护气体采用氦气，气体流量为20L/min。
[0042] 3.采用相同进行性能测试，结果如下表所示：
[0043]
[0045] 实施案例3
[0046] 1.将配制好的激光熔覆粉末，94%与6%乙醇混合成糊状或膏状后，涂覆在42CrMo 钢表面，预置层厚度为1.5mm，风干后进行激光熔覆。
[0047] 2 .激光熔覆工艺参数为：激光功率为1620KW，光斑直径为0.9mm，扫描速度为 180mm/min，离焦量为0_，保护气体采用氩气，气体流量为22L/min。
[0048] 3.采用相同进行性能测试，结果如下表所示：
[0049]
[0051 ] 实施案例4
[0052] 1.将配制好的激光熔覆粉末，93 %与7 %乙醇混合成糊状或膏状后，涂覆在42CrMo 钢表面，预置层厚度为1mm，风干后进行激光熔覆。
[0053] 2 .激光熔覆工艺参数为：激光功率为1580KW，光斑直径为0.8mm，扫描速度为 150mm/min，离焦量为0_，保护气体采用氦气，气体流量为20L/min
[0054] 3.采用相同进行性能测试，结果如下表所示：
[0055]
[0056]
[0057」 以上对本友明做J不例性的描还，应该说明的是，在小脫离本友明的核心的情况 下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均 落入本发明的保护范围。
【主权项】
1. 六元合金粉末在激光恪覆中的应用，其特征在于，六元合金粉末由Fe、Ni、Cr、Al、Si 和Cu元素粉末组成，所述?6、附、0)1、5;[和(：11之间为等摩尔比；在激光恪覆中进行使用以 提高显微硬度和耐磨性能，将六元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，在六元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；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。2. 根据权利要求1所述的六元合金粉末在激光熔覆中的应用，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。3. 根据权利要求1所述的六元合金粉末在激光熔覆中的应用，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200-300目。4. 根据权利要求1所述的六元合金粉末在激光恪覆中的应用，其特征在于，在六元合金 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。5. 根据权利要求1所述的六元合金粉末在激光熔覆中的应用，其特征在于，在进行激光 熔覆时，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。
【专利摘要】本发明公开了六元合金粉末在激光熔覆中的应用，合金粉末组成表示为FeNiCrAlSiCu，六种金属元素使用的摩尔数一致。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，利用本发明的合金粉末应用到激光熔覆焊接中，将六元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。本发明技术方案提供由金属元素和非金属元素共同组成的高熵合金粉末，提高了粉末的自熔性，能够制备成形良好、硬度较高、耐磨性较好的熔覆层，性能较基材有了明显改善。
【IPC分类】C23C24/10, C22C30/02
【公开号】CN105441771
【申请号】CN201511015607
【发明人】罗震, 姚杞, 谈辉, 段瑞
【申请人】天津大学
【公开日】2016年3月30日
【申请日】2013年10月10日
【公告号】CN104141085A