一种基于激光熔覆沉积的高熵合金制备方法及装置与流程

本发明属于高熵合金技术领域，特别涉及一种基于激光熔覆沉积的高熵合金制备方法及装置。

背景技术：

高熵合金是由n(n≥3)种大约等摩尔浓度的元素组合而成的，具有热力学上的高熵效应、动力学上的缓慢扩散效应、结构上的晶格畸变效应、性能上的“鸡尾酒”效应和组织上的稳定性；高熵合金倾向于形成相结构简单的多组元固溶体结构，固溶强化效应异常强烈。此外，析出少量有序相以及出现的纳米晶及非晶相也会对高熵合金起到进一步强化的效果；因此，高熵合金还具有高温热稳定性、高硬度、高强度、高耐磨耐蚀性以及高电阻率等性能。

传统制备高熵合金的方法主要是在坩埚中按一定比例放入纯金属,然后在真空熔炼炉中反复抽真空后充入氩气保护，全部融化均匀，在水冷铜模中浇铸成铸态；这种传统的方法仅能成形简单形状的铸锭，无法实现复杂结构零部件的制造。

激光熔覆沉积是在激光熔覆技术的逐层叠加制造和快速原型技术的成形原理的基础上，两者相结合发展起来的，相比于传统的加工方式，具有以下特点：生产周期短，加工速度快，有降低加工成本的广阔空间；制造过程柔性化程度高，无需模具，可生产用传统方法难以、不能生产的复杂形状零件，能够方便地实现多品种、变批量零件加工的快速转换；具有良好的冶金结合性能，力学性能可达到锻件水平；真正实现制造的数字化、智能化、无纸化和并行化；实现多种材料以任意方式复合的零件制造，可制造功能梯度零件，其性能上表现出较高的硬度，良好的耐蚀性和耐磨性且质量稳定。

基于激光熔覆沉积的高熔点高熵合金优势在于，激光能量密度高，符合高熵合金材料的加工条件；另一方面，激光熔覆沉积无需模具，可生产用传统方法难以、不能生产的复杂形状零件。但基于激光熔覆沉积的高熔点高熵合金易于在成型件中形成裂纹、气孔、夹杂、层间结合不良等缺陷，而裂纹是成形过程中最常见、破坏性最大的一种缺陷。

请参阅图2，现阶段基于激光熔覆沉积的高熔点高熵合金制备中，高熔点高熵合金成型件的显微组织中出现裂纹，对成型件的力学性能和可靠性有显著限制。裂纹的产生主要原因是多种金属材料的熔点过高，基底与熔覆层之间存在较大的温度梯度，且由于基板与熔覆层的弹性模量、热膨胀系数不同，因而易产生裂纹。裂纹的存在限制了高熔点高熵合金在航空航天中大尺寸、复杂结构零件的制造应用。

综上，亟需一种新的基于激光熔覆沉积的高熵合金制备方法，以消除或抑制裂纹。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于激光熔覆沉积的高熵合金制备方法及装置，以解决上述存在的技术问题。本发明的方法，通过混入低熔点金属单质粉末钛、钒或铪，同时通过预热降低基底与熔覆层之间的温度梯度，可实现在基于激光熔覆沉积的高熔点高熵合金制备中裂纹的消除及抑制。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于激光熔覆沉积的高熵合金制备方法，包括以下步骤：

步骤1，制备混合粉末a；所述混合粉末a包括金属单质粉末钨、铌、钼、钽、锆和铼中的三种、四种、五种或六种；所述混合粉末a中每种金属元素的原子个数百分比均介于5％～35％之间；

步骤2，向步骤1获得的混合粉末a中混入粉末b，混合均匀后获得混合粉末c；所述粉末b包括金属单质粉末钛、钒和铪中的一种或多种；

步骤3，将用于实现激光熔覆沉积的装置的基板进行预热，然后使用激光熔覆沉积方法将混合粉末c加工成型。

本发明的进一步改进在于，金属单质粉末钨、铌、钼、钽、锆和铼的初始粒度均为45～105μm，且纯度均大于等于99.5wt.％。

本发明的进一步改进在于，金属单质粉末钛、钒和铪的初始粒度均为45～105μm，且纯度均大于等于99.5wt.％。

本发明的进一步改进在于，混合粉末c的粒度直径为45～105μm。

本发明的进一步改进在于，步骤3中，通过给螺旋缠绕在承载基板的托板上的感应加热线圈通电，实现基板预热。

本发明的进一步改进在于，步骤3中，基板预热至温度大于等于600℃。

本发明的进一步改进在于，步骤3中，使用激光熔覆沉积技术将混合粉末c加工成型的步骤具体包括：根据成形零件cad模型分层切片信息的加工路径，激光将喷嘴同步送给的重新混合后的粉末进行逐层熔化、快速凝固、逐层沉积，最终获得预设成型件。

本发明的进一步改进在于，步骤2中，混合粉末c中，粉末b的原子个数百分比大于等于1％；混合粉末c中，粉末b的摩尔比例小于等于混合粉末a中任一种金属单质粉末的摩尔比例。

一种基于激光熔覆沉积的高熵合金制备装置，用于实现本发明上述的制备方法，包括：加热装置；所述加热装置用于实现步骤3中基板的预热。

进一步地，加热装置采用电感线圈；所述电感线圈设置于基板的托板上。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

现阶段传统基于激光熔覆沉积的高熔点高熵合金制备过程中，通过红外温度仪测试可知，在成形过程中，基板的温度基本维持在600℃左右，而熔覆层的理论熔点达到将近3000℃，温度梯度高到近2400℃。本发明的制备方法，采用添加低熔点金属元素钛或铪和对基板预热的方法，通过预热降低基底与熔覆层之间的温度梯度，能够抑制基于激光熔覆沉积的高熔点高熵合金裂纹的产生；同时，基于激光熔覆沉积的高熔点高熵合金制备中，会形成一个较大的温度凝固区间，即高熔点元素先发生凝固结晶，使低熔点元素富集于晶界，凝固时受到拉应力，当拉应力超过材料本身的抗拉极限时产生裂纹。低熔点元素钛或铪的添加可以缩小结晶温度区间，不仅可以显著提高基于激光熔覆沉积的高熔点高熵合金的抗裂能力，还可以细化晶粒，改善高熔点高熵合金的塑性、韧性。

本发明的装置，通过给螺旋缠绕在承载基板的托板上的感应加热线圈通电，产生热量，热量传递给承载基板的托板，托板温度升高将热量传递给基板，对基板进行预热，降低基底与熔覆层之间的温度梯度。感应线圈的加热随着成型粉末层数的增加而增加，保证每层成型时，粉末接触到的半成型件或基板的温度基本相同，可以实现消除由于基板与熔覆层的弹性模量、热膨胀系数不同而产生裂纹的目的。

附图说明

图1是本发明实施例的一种基于激光熔覆沉积的高熵合金制备方法的流程示意框图；

图2是现阶段传统基于激光熔覆沉积的高熔点高熵合金的组织裂纹示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

请参阅图1，本发明实施例的一种基于激光熔覆沉积的高熵合金制备方法，包括以下步骤：

步骤1，从初始粒度直径在45-105μm、纯度大于等于99.5wt.％的高熔点金属单质粉末钨、铌、钼、钽、锆和铼中选取三种或三种以上；按照每种元素的原子个数百分比介于5％～35％之间的比例依次称量并混合均匀。

步骤2，往步骤1混合均匀的粉末中加入原子数占比1％至与其他金属单质粉末等摩尔比例的初始粒度直径在45-105μm、纯度大于99.5wt.％的低熔点金属单质粉末钛、钒、铪或者它们的混合物，重新混合均匀，混合后的粉末粒度直径在45-105μm。

步骤3，通过给电阻丝螺旋缠绕在承载基板的托板上的感应加热线圈通电，电阻丝通电产生热量，热量传递给承载基板的托板，托板温度升高将热量传递给基板，将基板预热至温度大于或等于600℃。

步骤4，使用激光熔覆沉积技术将重新混合后的粉末加工成型。具体包括：根据成形零件cad模型分层切片信息的加工路径，激光将喷嘴同步送给的重新混合后的粉末进行逐层熔化、快速凝固、逐层沉积，最终得到想要的成型件。

其中，高熔点金属粉末混合后添加一定量的低熔点金属粉末重新进行混合，进行激光熔覆沉积时使用感应线圈对基板进行加热。感应线圈的加热随着成型粉末层数的增加而增加，保证每层成型时，粉末接触到的半成型件或基板的温度基本相同。

本发明提供一种基于激光熔覆沉积的高熔点高熵合金裂纹的抑制方法，包括：往混合均匀的高熔点高熵合金粉末中加入一定量的低熔点金属单质粉末钛或铪，重新混合均匀；同时通过给感应加热线圈通电，对激光熔覆沉积设备中的基板进行预热，降低基底与熔覆层之间的温度梯度，可抑制裂纹的产生，实现高熔点高熵合金在航空航天中大尺寸、复杂结构零件的制造及应用。

本发明实施例的一种基于激光熔覆沉积的高熵合金制备装置，包括：在传统现有的高熵合金制备装置的基础上，在承载基板的托板上设置有加热装置，用于预热；具体的，加热装置采用电感线圈。具体方式可以是，在现有装置的基础上，将感应线圈螺旋缠绕在固定基板的托板上。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。