一种激光熔覆NiCoFeCrSiAlMoZr高熵合金涂层材料及其制备方法

一种激光熔覆nicofecrsialmozr高熵合金涂层材料及其制备方法
技术领域
1.本发明属于高熵合金设计制造技术领域，具体涉及一种激光熔覆nicofecrsialmozr高熵合金涂层材料及其制备方法。


背景技术：

2.多主元高熵合金是近年来迅速发展的一类具有极大应用潜力的新型合金材料，因其含有五种及以上元素的混合熵效应，此类合金可以抑制传统金属中脆性金属间化合物的生成，而得到具有单一结构的fcc或bcc相。与常规单一主元的fcc或bcc合金相比，多主元高熵合金又因为混合了多种不同类型的原子，产生大量的晶格畸变，带来显著的强化效应，由此得到强度、硬度等材料力学性能的显著提高。激光熔覆技术是目前金属材料表面改性中比较常用的加工工艺。采用激光热源将多主元金属粉末熔化，凝固后在常规低碳钢等材料表面可以生成具有较高硬度和强度的高熵合金涂层，提高其耐磨性、强韧性、耐腐蚀性、耐高温氧化等综合性能，从而增加材料的服役寿命，产生较高的经济效益。
3.高熵合金由于多组元混合产生了显著地高熵效应抑制了脆性金属间化合物的生长，一般仅含有单一fcc或bcc相结构，或二者同时含有。但fcc相和bcc相具有不同的力学性能，硬度高的bcc相其韧性相对较差，而fcc相硬度较低，但韧性相对较好。因此在激光熔覆高熵合金涂层中需要通过材料设计找到一种易于调控多主元高熵合金的方法，获得硬度和强韧性匹配较佳的复合涂层。
4.公开号为cn103290404a的专利文献公布了一种激光熔覆用高熵合金粉末，其添加了al元素来提高固溶体的性能，制备了具有feconicrmnsial系列高熵合金粉末。
5.公开号为cn104841930a的专利文献公布了一种激光3d打印用高熵合金粉末，其主要组分为nicocrtiv合金粉末，通过添加ti、v元素提高高熵合金固溶体的性能。
6.以上制备的高熵合金没有提出明确的调控fcc或bcc相结构，进而实现提高合金强韧性和耐磨性等综合性能的方法。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于克服传统技术中存在的至少一个上述问题，提供一种激光熔覆nicofecrsialmozr高熵合金涂层材料及其制备方法，该高熵合金涂层材料具有fcc和bcc复合相，通过激光熔覆制备工艺和调整原始组分中zr含量，使合金中固溶体两相比例易于调整，进而实现硬度和强韧性较好的综合力学性能。
8.为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：
9.一种激光熔覆nicofecrsialmozr高熵合金涂层材料，该涂层材料包括一定比例的金属元素ni、co、fe、cr、al、mo、zr和非金属元素si，其中金属元素ni、co、fe、cr、al、mo各元素的摩尔比控制在11％～26％，金属元素zr的摩尔比控制在1％～26％，非金属粉末si的摩尔比控制在11％～26％。
10.进一步地，上述激光熔覆nicofecrsialmozr高熵合金涂层材料中，金属元素ni、co、fe、cr、al、mo的原料为粉末，粒度在350～450目，纯度≥99.8％。
11.进一步地，上述激光熔覆nicofecrsialmozr高熵合金涂层材料中，金属元素zr的原料为粉末，粒度为400～500目，纯度≥99.6％。
12.进一步地，上述激光熔覆nicofecrsialmozr高熵合金涂层材料中，非金属粉末si的原料为粉末，粒度为350～450目，纯度≥99.9％。
13.进一步地，上述激光熔覆nicofecrsialmozr高熵合金涂层材料中，所述涂层材料通过在原始组分中控制zr元素的摩尔比来控制其fcc、bcc相的比例，进而调控熔覆层的力学性能指标。
14.进一步地，上述激光熔覆nicofecrsialmozr高熵合金涂层材料的制备方法，包括如下步骤：
15.1)按配比称取各原料组分，采用机械搅拌混合20-60min，保证粉末相互混合均匀，得到混合粉末；
16.2)将混合粉末均匀预置在经过处理的基体表面，预置厚度为0.5-2mm，充分干燥后进行激光熔覆，即可得到所需的激光熔覆nicofecrsialmozr高熵合金涂层材料。
17.进一步地，上述激光熔覆nicofecrsialmozr高熵合金涂层材料的制备方法，步骤2)中，预置厚度为1mm。
18.进一步地，上述激光熔覆nicofecrsialmozr高熵合金涂层材料的制备方法，步骤2)中，基体材质为q235钢。
19.进一步地，上述激光熔覆nicofecrsialmozr高熵合金涂层材料的制备方法，步骤2)中，基体的处理方式为：切割为方块，然后对其表面进行打磨清理以去除锈迹和油污，再用酒精清洗干净。
20.进一步地，上述激光熔覆nicofecrsialmozr高熵合金涂层材料的制备方法，步骤2)中，激光熔覆采用光纤耦合半导体激光器，主要工艺参数包括：激光功率1.6～4.5kw，激光扫描速度2.0～12.0mm/s，光斑尺寸直径5mm，焦距140mm，离焦量
±
6mm；熔覆过程采用纯度99.9％的氩气保护，气体流量16～32l/min。
21.本发明的有益效果是：
22.1、本发明制得的高熵合金熔覆层加入金属粉末zr，经过激光熔池高温的合金化反应，形成nicofecrsialmozr多元合金体系，zr元素的加入使合金固溶强化效应进一步增强，同时抑制凝固过程中的fcc和bcc相分离。
23.2、本发明通过引入一定含量的mo元素，起到提高熔覆高熵合金耐腐蚀性和耐高温磨损性能的作用。
24.3、本发明设计的高熵合金可通过在原始组分中控制zr元素的质量分数来控制其fcc、bcc相的比例，进而调控熔覆层硬度等力学性能指标，在保证了优良的综合性能的同时使熔覆层的组织和性能简单可控。
25.当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上的所有优点。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的
附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1是本发明中实施例1所制备激光熔覆nicofecrsialmozr高熵合金涂层材料的表面形貌图；
28.图2是本发明中实施例1所制备激光熔覆nicofecrsialmozr高熵合金涂层材料的显微组织图；
29.图3是本发明中实施例1和实施例4所制备激光熔覆nicofecrsialmozr高熵合金涂层材料的xrd图；
30.图4是本发明中实施例1～4所制备激光熔覆nicofecrsialmozr高熵合金涂层材料的硬度对比图。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
32.本发明的具体实施例如下：
33.实施例1
34.(1)选用材料包括金属单质粉末ni、co、fe、cr、mo、al，非金属粉末si，外加金属粉末zr。首先将粒度400目，纯度99.8％以上的ni、co、fe、cr、si、mo、al粉末均匀混合。其中ni、co、fe、cr、si、mo、al的摩尔比为1：1：1：1：1：1：1。采用分析天平称取各金属元素粉末，按照摩尔比和摩尔质量计算单质粉末质量，混合粉末总质量为30g。上述粉末均匀混合后加入摩尔分数2.8％的zr，纯度99.9％，粒度450目，获得nicofecrsialmozr
0.2
复合粉末。
35.(2)各组分粉末按照设计的摩尔比称量混合后，采用机械搅拌混合20分钟以上，保证金属粉末混合均匀；
36.(3)基体材料选用q235钢，切割为10cm
×
10cm
×
1cm，采用机械打磨去除表面氧化物、油污等。
37.(4)将搅拌混后得到的合金粉末与酒精混合，均匀预制在处理后的q235钢基体表面，形成厚度为1.0mm的预置层，干燥后待用。
38.(5)激光熔覆的工艺参数为：激光功率2400w，光斑尺寸直径5mm，激光扫描速度3.0mm/s，离焦量为0mm。保护气体采用纯度99.99％的氩气，流量18l/min，激光熔覆后熔覆层自然冷却到室温。
39.(6)熔覆合金切割金相试样，经王水的腐蚀后检验金相组织和硬
40.该实施例的合金平均硬度达到562hv，xrd检验物相组成为fcc面心立方+bcc体心立方。
41.实施例2
42.(1)选用材料包括金属单质粉末ni、co、fe、cr、mo、al，非金属粉末si，外加金属粉末zr。首先将粒度400目，纯度99.8％以上的ni、co、fe、cr、si、mo、al粉末均匀混合。其中ni、
co、fe、cr、si、mo、al的摩尔比为1：1：1：1：1：1：1。采用分析天平称取各金属元素粉末，按照摩尔比和摩尔质量计算单质粉末质量，混合粉末总质量为30g。上述粉末均匀混合后加入摩尔分数6.7％的zr，纯度99.9％，粒度450目，获得nicofecrsialmozr
0.5
复合粉末。
43.(2)各组分粉末按照设计的摩尔比称量混合后，采用机械搅拌混合20分钟以上，保证金属粉末混合均匀；
44.(3)基体材料选用q235钢，切割为10cm
×
10cm
×
1cm，采用机械打磨去除表面氧化物、油污等。
45.(4)将搅拌混后得到的合金粉末与酒精混合，均匀预制在处理后的q235钢基体表面，形成厚度为1.0mm的预置层，干燥后待用。
46.(5)激光熔覆的工艺参数为：激光功率2800w，光斑尺寸直径5mm，激光扫描速度4.0mm/s，离焦量为0mm。保护气体采用纯度99.99％的氩气，流量18l/min，激光熔覆后熔覆层自然冷却到室温。
47.(6)熔覆合金切割金相试样，经王水的腐蚀后检验金相组织和硬度。该实施例的合金平均硬度达到486hv，xrd检验物相组成为fcc面心立方+bcc体心立方。
48.实施例3
49.(1)选用材料包括金属单质粉末ni、co、fe、cr、mo、al，非金属粉末si，外加金属粉末zr。首先将粒度400目，纯度99.8％以上的ni、co、fe、cr、si、mo、al粉末均匀混合。其中ni、co、fe、cr、si、mo、al的摩尔比为1：1：1：1：1：1：1。采用分析天平称取各金属元素粉末，按照摩尔比和摩尔质量计算单质粉末质量，混合粉末总质量为30g。上述粉末混合后加入摩尔分数12.5％的zr，纯度99.9％，粒度450目，获得nicofecrsialmozr
1.0
复合粉末。
50.(2)各组分粉末按照设计的摩尔比称量混合后，采用机械搅拌混合20分钟以上，保证金属粉末混合均匀；
51.(3)基体材料选用q235钢，切割为10cm
×
10cm
×
1cm，采用机械打磨去除表面氧化物、油污等。
52.(4)将搅拌混后得到的合金粉末与酒精混合，均匀预制在处理后的q235钢基体表面，形成厚度为1.0mm的预置层，干燥后待用。
53.(5)激光熔覆的工艺参数为：激光功率3200w，光斑尺寸直径5mm，激光扫描速度5.0mm/s，离焦量为0mm。保护气体采用纯度99.99％的氩气，流量26l/min，激光熔覆后熔覆层自然冷却到室温。
54.(6)熔覆合金切割金相试样，经王水的腐蚀后检验金相组织和硬度。该实施例的熔覆层合金平均硬度达到278hv，xrd检验物相组成为bcc体心立方。
55.实施例4
56.(1)选用材料包括金属单质粉末ni、co、fe、cr、mo、al，非金属粉末si，外加金属粉末zr。首先将粒度400目，纯度99.8％以上的ni、co、fe、cr、si、mo、al粉末均匀混合。其中ni、co、fe、cr、si、mo、al的摩尔比为1：1：1：1：1：1：1。采用分析天平称取各金属元素粉末，按照摩尔比和摩尔质量计算单质粉末质量，混合粉末总质量为30g。上述粉末混合后加入摩尔分数22.2％的zr，纯度99.9％，粒度450目，获得nicofecrsialmozr
2.0
复合粉末。
57.(2)各组分粉末按照设计的摩尔比称量混合后，采用机械搅拌混合20分钟以上，保证金属粉末混合均匀；
58.(3)基体材料选用q235钢，切割为10cm
×
10cm
×
1cm，采用机械打磨去除表面氧化物、油污等。
59.(4)将搅拌混后得到的合金粉末与酒精混合，均匀预制在处理后的q235钢基体表面，形成厚度为1.0mm的预置层，干燥后待用。
60.(5)激光熔覆的工艺参数为：激光功率4000w，光斑尺寸直径5mm，激光扫描速度8.0mm/s，离焦量为0mm。保护气体采用纯度99.99％的氩气，流量26l/min，激光熔覆后熔覆层自然冷却到室温。
61.(6)熔覆合金切割金相试样，经王水的腐蚀后检验金相组织和硬度。该实施例的熔覆层合金平均硬度达到359hv，xrd检验物相组成为bcc体心立方。
62.以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。