一种用于激光熔覆的高熵合金粉末及使用方法与流程

本发明涉及一种用于激光熔覆的高熵合金粉末及其使用方法，属于激光表面改性领域。

背景技术：

高熵合金是近年来发展起来的新型合金，含有多种元素，每种元素均发挥主要作用，与传统合金以一种或两种元素为主要组元不同，高熵合金则是将多种元素混合在一起以等摩尔或者近等摩尔混合在一起得到的新型合金，其中每种元素的含量远大于5％且不高于35％；合金的熵值很高，结构简单，具有优异的性能，如高强度、高耐磨性、耐高温及优异的耐蚀性。

高熵合金领域的研究集中在通过多主元成分设计使得系统的熵值最大化，以获得稳定的单相结构，例如：面心立方、体心立方、密排六方等。制备高熵合金的主要方法为真空电弧炉熔铸法，该技术在凝固过程中容易造成成分偏析。其它制备方法有粉末冶金法、激光熔覆法、机械合金化法和磁控溅射法等。粉末冶金法工艺相对复杂；磁控溅射法所制备的高熵合金涂层较薄，无法满足高强度的应用场合。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于激光熔覆的高熵合金粉末，所述高熵合金粉末中各组分及其质量百分数为al:8%～12%、nd:32%～36%、mo:32%～38%、v:17%～21%，所有组分的质量百分比之和为100%，各个组分纯度均大于等于99.9%。

本发明的另一目的在于提供所述高熵合金粉末用于制备激光熔覆层的方法，本发明通过预置高熵合金粉末alnbmov在基材表面，再经由激光熔覆使高熵合金粉末和基材表面同时熔化，并快速凝固成稀释率低，与基体成冶金结合且高熵合金主元扩散率低、偏析较弱的高熵合金涂层，具体包括以下步骤：

（1）对钛合金基材进行表面预处理：打磨，清洗，干燥后备用。

（2）将称量好的粉末混合后进行真空球磨混合，充分混合后得到熔覆粉末，真空干燥后备用，球磨后粉末粒径为150～300目。

（3）步骤（2）得到的混合粉末采用同步送粉方式，按照预设的点阵扫描轨迹，在保护气氛下，将熔覆粉末在钛合金表面进行激光熔覆，得到由呈点阵分布的熔覆点构成的熔覆涂层。

优选的，本发明步骤（2）中真空球磨得到参数为：球磨转速25～80r/min，球料比为7:1～18:1，球磨时间不低于2.5小时。

优选的，本发明步骤（2）中干燥温度为60℃～100℃，干燥时间为6～15h。

优选的，本发明步骤（3）中所述激光熔覆是通过co2激光器进行的，激光功率为3～5kw，扫描速度为400～500mm/min，光斑直径≤4mm，保护气体为ar或n2，气体流量为14～24l/min，送粉率为5g/min～30g/min，保护气氛的气压为0.01mpa～1mpa。

优选的，本发明步骤（3）中所述预设的点阵扫描轨迹为直线型扫描轨迹。

本发明的有益效果：

（1）本发明所述的制备得到的激光熔覆涂层宏观形貌良好，内部基本无气孔和裂纹；得到的涂层硬度较高，具有良好的耐磨性和抗氧化性，且涂层与基体呈良好的冶金结合。

（2）本发明通过激光熔覆技术得到了稀释率低且结合紧密的涂层，对制备质量较高的涂层具有重要的指导作用。

（3）本发明提供的粉末配方与钛合金基体具有优异的结合性能，在形成高熵合金的前提下，所得熔覆层具有良好的宏观形貌，无裂纹、孔洞等缺陷。

附图说明

图1为本发明实施例1激光熔覆涂层横截面的金相组织；

图2为本发明实施例1激光熔覆涂层结合区的金相组织；

图3为本发明实施例1熔覆区底部扫描电镜图片；

图4为本发明实施例1熔覆区中上部扫描电镜图

图5为本发明实施例1激光熔覆涂层的xrd谱图；

图6为本发明实施例1熔覆涂层显微硬度。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步详细的说明，但本发明保护范围不局限于所述内容。

本发明实施例1~3所用钛合金基材为tc4，钛合金含量al:6.02wt％、v:4.0wt％、fe:0.30wt％、c:0.08wt％、n:0.05wt％、余量为ti。

实施例1

本实施例所述高熵合金粉末中各组分及其质量百分数：al:10.11%、nd:35.96%、mo:34.83%、v:19.10%。

本实施例所述高熵合金粉末用于制备激光熔覆层的方法，具体包括以下步骤：

（1）对基材进行预处理：将金属基材打磨光亮并清洗，打磨光亮并清洗的具体步骤：金属基材表面用200～600目砂纸进行打磨，打磨至表面无粗大的划痕，使磨痕方向一致，表面光亮，再用酒精和丙酮进行清洗，去除金属基体表面的氧化膜和油污，干燥后备用。

（2）将称量好的粉末混合后进行真空球磨混合，充分混合后得到熔覆粉末，真空球磨得到参数为：球磨转速25r/min，球料比为7:1，球磨时间为2.5小时；在60℃真空干燥时间为15h后备用，球磨后粉末粒径为150目。

（3）步骤（2）得到的混合粉末采用同步送粉方式，按照预设的点阵扫描轨迹，在保护气氛下，将熔覆粉末在钛合金表面进行激光熔覆，得到由呈点阵分布的熔覆点构成的熔覆涂层；所述激光熔覆是通过co2激光器进行的，激光功率为3kw，扫描速度为500mm/min，光斑直径≤4mm，保护气体为ar或n2，气体流量为14l/min，送粉率为5g/min，保护气氛的气压为0.01mpa。

对激光熔覆后的涂层用hf-hno3-h2o（体积比2:3:15）混合溶液进行腐蚀，获得了熔覆层的横截面和结合区金相照片，如图1和图2所示，由图可以看出涂层与基体结合情况良好且基本无裂纹、无气孔，组织致密。

借助xl30esem-tep型扫描电镜及其所附的phoenix+oim能谱仪分析复合涂层不同区域的元素分布及微观形貌；结果如图3和图4所示，图3为熔覆区底部扫描电镜图片；图4为熔覆区中上部扫描电镜图，表2为图4高熵合金涂层eds微区分析结果（原子百分数，%）。

表2为图4中a、b区域eds微区分析结果（原子百分数，%）

利用d/max-3bx型x射线衍射仪对钛合金基材和激光原位合成复合涂层进行物像表征；结果如图5所示，主要由bcc相和少量fcc相构成。

采用hvs-1000a型显微硬度计测量熔覆层的显微硬度，作用10s后测量涂层和金属基体的硬度，结果如图6所示，在熔覆层的不同位置取点，取其平均值，经过计算，tc4基材的平均显微硬度为359.9hv0.2，与基材相比，实施例1高熵合金激光熔覆涂层的平均硬度在741.1hv0.2，硬度是金属基体的2.06倍。

实施例2

本实施例所述高熵合金粉末中各组分及其质量百分数：al:11%、nd:34%、mo:35%、v:20%。

本实施例所述高熵合金粉末用于制备激光熔覆层的方法，具体包括以下步骤：

（1）对基材进行预处理：将金属基材打磨光亮并清洗，打磨光亮并清洗的具体步骤：金属基材表面用200～600目砂纸进行打磨，打磨至表面无粗大的划痕，使磨痕方向一致，表面光亮，再用酒精和丙酮进行清洗，去除金属基体表面的氧化膜和油污，干燥后备用。

（2）将称量好的粉末混合后进行真空球磨混合，充分混合后得到熔覆粉末，真空球磨得到参数为：球磨转速60r/min，球料比为12:1，球磨时间3小时；在100℃真空干燥时间为6h后备用，球磨后粉末粒径为300目。

（3）步骤（2）得到的混合粉末采用同步送粉方式，按照预设的点阵扫描轨迹，在保护气氛下，将熔覆粉末在钛合金表面进行激光熔覆，得到由呈点阵分布的熔覆点构成的熔覆涂层；所述激光熔覆是通过co2激光器进行的，激光功率为4kw，扫描速度为450mm/min，光斑直径≤4mm，保护气体为ar或n2，气体流量为24l/min，送粉率为20g/min，保护气氛的气压为1mpa。

采用hvs-1000a型显微硬度计测量熔覆层的显微硬度，作用10s后测量涂层和金属基体的硬度，在熔覆层的不同位置取点，取其平均值，经过计算，tc4基材的平均显微硬度为359.9hv0.2，与基材相比，高熵合金激光熔覆涂层的平均硬度在737.3hv0.2，硬度是金属基体的2.05倍。

实施例3

本实施例所述高熵合金粉末中各组分及其质量百分数：al:12%、nd:32%、mo:35%、v:21%。

本实施例所述高熵合金粉末用于制备激光熔覆层的方法，具体包括以下步骤：

（1）对基材进行预处理：将金属基材打磨光亮并清洗，打磨光亮并清洗的具体步骤：金属基材表面用200～600目砂纸进行打磨，打磨至表面无粗大的划痕，使磨痕方向一致，表面光亮，再用酒精和丙酮进行清洗，去除金属基体表面的氧化膜和油污，干燥后备用。

（2）将称量好的粉末混合后进行真空球磨混合，充分混合后得到熔覆粉末，真空球磨得到参数为：球磨转速80r/min，球料比为18:1，球磨时间不低于2.5小时；在80℃真空干燥时间为10h后备用，球磨后粉末粒径为200目。

（3）步骤（2）得到的混合粉末采用同步送粉方式，按照预设的点阵扫描轨迹，在保护气氛下，将熔覆粉末在钛合金表面进行激光熔覆，得到由呈点阵分布的熔覆点构成的熔覆涂层；所述激光熔覆是通过co2激光器进行的，激光功率为5kw，扫描速度为400mm/min，光斑直径≤4mm，保护气体为ar或n2，气体流量为20l/min，送粉率为30g/min，保护气氛的气压为0.5mpa。

采用hvs-1000a型显微硬度计测量熔覆层的显微硬度，作用10s后测量涂层和金属基体的硬度，在熔覆层的不同位置取点，取其平均值，经过计算，tc4基材的平均显微硬度为359.9hv0.2，与基材相比，高熵合金激光熔覆涂层的平均硬度在726.8hv0.2，硬度是金属基体的2.02倍。

对实施例2、3制备得到的激光熔覆后的涂层用hf-hno3-h2o（体积比2:3:15）混合溶液进行腐蚀，获得了熔覆层的横截面和结合区金相照片，实施列2中的涂层与基体结合情况良好且基本无裂纹、无气孔，组织致密，实施例3的涂层与基体结合情况良好，有少量裂纹、无气孔。借助xl30esem-tep型扫描电镜及其所附的phoenix+oim能谱仪分析复合涂层不同区域的元素分布及微观形貌，实施例2、3与实施例1熔覆涂层的微观形貌大致相同。利用d/max-3bx型x射线衍射仪对实施例2、3得到的钛合金基材和激光原位合成复合涂层进行物像表征；结果显示物像主要由bcc相和fcc相构成。