本发明属于耐磨材料，具体涉及一种激光熔覆陶瓷增强金属基复合材料的方法，特别涉及了一种激光熔覆制备高熵陶瓷增强金属基复合材料的方法。
背景技术：
1、大型特种耐磨部件在冶金、机械、电力、建材、矿山等行业中广泛使用，特别是冶金轧辊、破碎机滚筒、衬板、辊套、磨盘等易磨损产品。产品的抗磨性不足，会导致资源和能源的巨大浪费。如果在磨损部件表面涂覆一层高硬度耐磨涂层，不仅可以延长磨损部件的使用寿命，还可以实现磨损部件的再制造。另一方面，可实现低碳环保的效果。其中，激光熔覆作为一种表面改性的一种经济而快捷的工艺方法，能有效提高材料耐磨性，提高产品性能、延长产品使用寿命，降低生产成本。
2、激光熔覆英文名为laser cladding，也称激光涂覆，通过在基材表面添加熔覆材料，利用高能量密度激光束将不同成分和性能的合金与基材表层快速融化，且在基材表面形成与基材具有完全不同成分和性能的熔覆层，作为激光表面改性技术之一的激光熔覆技术，适合于各类金属的表层改性和修复，而此扩散区正式实现熔覆层与基体的冶金结合所必须的，同时，激光熔覆技术能把高性能的熔覆粉末涂覆与普通基体材料表面，从而获得优异特性的表面熔覆层，如耐磨、耐蚀、耐磨、抗冲击等优良性能的熔覆层。然而现有的零部件因其表面熔覆材料的单一，使得应用激光熔覆技术的修复零部件的过程汇总零部件表面经常会出现裂纹、涂层不均匀的问题，因此，开发耐热、耐蚀、高硬度、力学性能好的新型复合材料势在必行。
3、为了提高涂覆层的性能，开发新型耐磨层是重要举措。中国发明专利（cn108130531a）公开了一种激光反应熔覆cr7c3陶瓷增强铁基复合材料及其制备，其中，激光反应熔覆cr7c3陶瓷增强铁基复合材料的制备方法包括选择cr粉和c粉作为熔覆材料，安装cr粉和c粉质量比为（35:4）～（11:10）进行混合形成熔覆粉末，通过粘接剂将所述熔覆粉末涂覆于基体表面作为预制涂层。之后以激光束作为热源，对预置涂层进行激光熔覆处理以形成cr7c3陶瓷熔覆层。该发明实施的激光反应熔覆cr7c3陶瓷增强铁基复合材料具有耐热、耐蚀、耐磨、高硬度等优良性能。
4、中国发明专利（cn108048835a）公开了一种激光反应熔覆vc-cr7c3陶瓷增强铁基复合材料及其制备方法，其中，激光反应熔覆vc-cr7c3陶瓷增强铁基复合材料的制备工艺为：对选择金属基体进行打磨，并且涂覆粉末，粉末中含有摩尔比为1:1:2的ti、v以及c，以激光束作为热源面对设置有所述预置涂层的基体金相激光熔覆处理，得到vc-tic陶瓷增强铁基复合材料，提高了基体材料的表面性能。
5、中国发明专利（cn109402629a）公开了一种激光反应熔覆vc-tic陶瓷增强铁基复合材料及其制备方法。其中，在经过清洗以及打磨后的金属材料表面设置一层打底熔覆层，熔覆层中含有摩尔比为1:1:2的ti、v以上c，再经过有机粘接剂混合后，以激光束作为热源，在基体表面激光处理形成vc-tic陶瓷熔覆层。该发明提高了基体材料的表面性能，熔覆层和基体呈现良好的冶金结合，提高了熔覆层与基体的结合强度。提高了熔覆层和基体的硬度，耐磨性。
6、为了进一步提高复合材料的强韧性，中国发明专利（cn106756997a）还公开了陶瓷强化金属基激光熔覆层，在钛合金为基体上，以ni60a镍基合金粉末和镍包b4c（ni@b4c）为熔覆材料激光熔覆制备陶瓷强化金属基激光熔覆层。采用‘金属+陶瓷’复合材料体系，利用激光熔覆技术在钛合金表面制备陶瓷强化金属基复合涂层，将金属材料的高塑性与陶瓷材料的高硬高强性结合起来，实现熔覆层的强韧性匹配，充分发挥熔覆层的潜能。该发明可以有效抑制熔覆过程中熔池的氧化，减少图层的额裂纹、气孔等缺陷，改善涂层质量与性能。该发明可以灵活调整复合材料体系中各组分的配比，在合适的工艺下金相激光熔覆，获得性能优异的熔覆层。
7、中国发明专利（cn106756649a）公开了一种连续sic纤维增强钛基复合材料的激光增材制造方法。采用激光熔覆增材制造技术制备sic纤维增强钛基复合材料，将钛合金私材沉积到sic纤维、叠层铺设的纤维布或纤维增强体上。该发明可制备形状复杂、尺寸超大、超厚、复杂型腔等特殊结构的纤维增强钛基复合材料结构件，对于具有复杂纤维排布结构的复合材料，免去因热压而导致纤维发生断裂的过程，实现结构件制备、加工一体化，提高生产效率并降低成本。
8、中国发明专利（cn102205406a）公开了一种原位合成al3ti颗粒表面增强铝基复合气缸套及其制备方法。其主要是以钛丝网为合成增强体的原材料，先通过压铸法得到内表面为1-3mm后的钛丝网增强铝基复合材料。再通过激光熔覆法将该层快速融化。最后经热处理、机械加工得到成品铝基复合气缸套。该发明的到产品纤维组织致密。韧性较好，具有较好的抗氧化性和抗耐磨性能。
9、但是，采用上述激光熔覆而成的金属陶瓷耐磨熔覆层，尽管增加了陶瓷结构，但其强韧性依旧无法得到进一步提升，脆性较大，而且在高应力磨损条件下极易开裂剥落，使得耐磨性显著降低。
技术实现思路
1、发明目的：本发明针对现有技术中的不足，提出一种激光熔覆制备高熵陶瓷增强金属基复合材料的方法，实现金属陶瓷熔覆层的高强韧性，具有细小的显微组织和优异的耐磨性，并且使其在高应力磨损条件下不产生耐磨性剥落，耐磨性显著提高。
2、技术方案：本发明所述的一种激光熔覆制备高熵陶瓷增强金属基复合材料的方法，包括如下步骤：
3、（1）制备多元复合陶瓷粉：将具有一定粒径的多种原料进行混合；
4、（2）向多元复合陶瓷粉中添加镍包铝合金粉，然后将复合粉末放入球磨机中球磨均匀混合；
5、（3）向步骤（2）混合后的复合粉末中加入无水乙醇或有机胶调和成糊状，放入搅拌机中搅拌；之后均匀地将糊状复合粉末涂覆于金属基体表面，放入干燥箱中烘干，最终形成预置涂层；
6、（4）以激光束作为热源，对预置涂层进行激光熔覆处理基体、高熵合金熔覆涂层，得到所述的高熵陶瓷增强铁基复合材料。
7、在一些实施方式中，步骤（1）所述原料包括金属主元和非金属主元；所述金属主元为ti、cr、zr、nb、hf、ta、w、和cu中的五种或者五种以上的元素组成；所述非金属主元由c和b组成。
8、在一些实施方式中，步骤（2）中所述镍包铝合金粉的加入量为多元复合陶瓷粉总质量的1.2~2.7%，镍包铝合金粉的粒径为10-25μm。
9、在一些实施方式中，步骤（2）中球磨工艺为：采用球磨机球磨时先正转90-120min后，停转15min，再反转90-120min后停转15min，正反转过程重复3次，球磨介质大球和小球个数比为1:5。
10、在一些实施方式中，步骤（3）中搅拌具体工艺为：放入搅拌机中以30r/min搅拌6-10min。
11、在一些实施方式中，步骤（3）中烘干具体工艺为：放入温度为70-90℃的干燥箱中烘干180-200min。
12、在一些实施方式中，步骤（3）中所述预置涂层厚度为0.5-2mm。
13、在一些实施方式中，步骤（4）中激光的扫描速度为0.7mm/s~1.6mm/s，激光功率为2680w，离焦量为25mm，光斑直径为2.5mm；保护气体采用氩气，气体流量为8-10l/min。
14、在一些实施方式中，步骤（4）中激光扫描角度为45°、70°、90°中的一种；激光路径呈往复式扫描，并与上一段路径重合0.3-0.6mm。
15、在一些实施方式中，步骤（4）中在基体表面熔覆铺设一层高熵陶瓷熔覆层后，下一层扫描路径与上一层扫描路径呈30°、45°、60°、90°中的一种。
16、有益效果：本发明的有益效果如下：
17、（1）本发明通过激光熔覆制备出高熵陶瓷涂层，利用激光的高温作用，使多元复合粉末混合均匀，在高功率激光作用下，产生高温熔池，同时由于液态高温熔体的沉积和凝固过程在极短时间内完成，使得熔体凝固过程中形核率极大且晶核来不及生长，从而原位合成了细晶结构的高熵陶瓷熔覆层，有利于熔覆层与金属基体之间紧密结合，同时增加复合材料的耐磨性；
18、（2）本发明实现了金属陶瓷熔覆层的高强韧性，具有细小的显微组织和优异的耐磨性，并且使其在高应力磨损条件下不产生耐磨性剥落，耐磨性显著提高；
19、（3）本发明采用激光路径呈往复式扫描，并与上一段路径重合0.3-0.6mm，从而保证熔覆层之间具有良好的结合性。
20、（4）本发明在基体表面熔覆铺设一层高熵陶瓷熔覆层后，下一层扫描路径与上一层扫描路径呈30°、45°、60°、90°中的一种，从而保证高熵陶瓷熔覆层整体的各向同性。
21、实施方式
22、下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23、在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
24、在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
25、实施例
26、一种激光熔覆制备高熵陶瓷增强金属基复合材料的方法，包括如下步骤：
27、（1）制备多元复合陶瓷粉：将粒径范围在0.1微米~5微米之间的五种原料进行混合，其中原料包括金属主元和非金属主元，所述金属主元为ti、cr、zr、nb、hf、ta、w、和cu中的五种或者五种以上的元素组成；所述非金属主元由c和b组成。各个组分纯度均大于等于99.9%。
28、优选的，多元复合陶瓷粉的化学式为：
29、（ti0.2cr0.2zr0.2ta0.2cu0.2）（cxby）
30、其中x+y=1，多元复合陶瓷粉的化学式包括但不限于上述内容。
31、（2）向多元复合陶瓷粉中添加质量百分比1.2~2.7%的镍包铝合金粉（ni&al）形成复合粉末，其中镍包铝合金粉的粒径为10-25μm。将复合粉末放入行星式球磨机中均匀混合。球磨工艺为：采用球磨机球磨时先正转90min后，停转15min，再反转90min后停转15min，正反转过程重复3次，球磨介质大球和小球个数比为1:5。
32、（3）向步骤（2）混合后的复合粉末中加入无水乙醇或有机胶调和成糊状，放入搅拌机中以30r/min搅拌6min。之后均匀地将复合粉末涂覆于金属基体表面，放入温度为70℃的干燥箱中烘干180min，最终形成预置涂层，预置涂层厚度为0.5mm。所述金属基体表面打磨光亮，做去油、除锈处理。
33、（4）以激光束作为热源，对预置涂层进行激光熔覆处理基体、高熵合金熔覆涂层，得到所述的高熵陶瓷增强铁基复合材料。其中，激光的扫描速度为0.7mm/s，激光功率为2680w，离焦量为25mm，光斑直径为2.5mm；保护气体采用氩气，气体流量为8l/min。
34、激光扫描角度为45°；激光路径呈往复式扫描，并与上一段路径重合0.3mm，从而保证熔覆层之间具有良好的结合性。
35、同时，在基体表面熔覆铺设一层高熵陶瓷熔覆层后，下一层扫描路径与上一层扫描路径呈30°，从而保证高熵陶瓷熔覆层整体的各向同性。
36、实施例
37、一种激光熔覆制备高熵陶瓷增强金属基复合材料的方法，包括如下步骤：
38、（1）制备多元复合陶瓷粉：将粒径范围在0.1微米~5微米之间的五种原料进行混合，其中原料包括金属主元和非金属主元，所述金属主元为ti、cr、zr、nb、hf、ta、w、和cu中的五种或者五种以上的元素组成；所述非金属主元由c和b组成。各个组分纯度均大于等于99.9%。
39、优选的，多元复合陶瓷粉的化学式为：
40、（ti1/6w1/6zr1/6nb1/6hf1/6cu1/6）（cxby）
41、其中x+y=1，多元复合陶瓷粉的化学式包括但不限于上述内容。
42、（2）向多元复合陶瓷粉中添加质量百分比1.6%的镍包铝合金粉（ni&al）形成复合粉末，其中镍包铝合金粉的粒径为10-25μm。将复合粉末放入行星式球磨机中均匀混合。球磨工艺为：采用球磨机球磨时先正转100min后，停转15min，再反转100min后停转15min，正反转过程重复3次，球磨介质大球和小球个数比为1:5。
43、（3）向步骤（2）混合后的复合粉末中加入无水乙醇或有机胶调和成糊状，放入搅拌机中以30r/min搅拌8min。之后均匀地将复合粉末涂覆于金属基体表面，放入温度为75℃的干燥箱中烘干185min，最终形成预置涂层，预置涂层厚度为0.8mm。所述金属基体表面打磨光亮，做去油、除锈处理。
44、（4）以激光束作为热源，对预置涂层进行激光熔覆处理基体、高熵合金熔覆涂层，得到所述的高熵陶瓷增强铁基复合材料。其中，激光的扫描速度为1.0mm/s，激光功率为2680w，离焦量为25mm，光斑直径为2.5mm；保护气体采用氩气，气体流量为9l/min。
45、激光扫描角度为70°；激光路径呈往复式扫描，并与上一段路径重合0.4mm，从而保证熔覆层之间具有良好的结合性。
46、在基体表面熔覆铺设一层高熵陶瓷熔覆层后，下一层扫描路径与上一层扫描路径呈45°，从而保证高熵陶瓷熔覆层整体的各向同性。
47、实施例
48、一种激光熔覆制备高熵陶瓷增强金属基复合材料的方法，包括如下步骤：
49、（1）制备多元复合陶瓷粉：将粒径范围在0.1微米~5微米之间的五种原料进行混合，其中原料包括金属主元和非金属主元，所述金属主元为ti、cr、zr、nb、hf、ta、w、和cu中的五种或者五种以上的元素组成；所述非金属主元由c和b组成，各个组分纯度均大于等于99.9%。
50、优选的，多元复合陶瓷粉的化学式为：
51、（ti1/6cr1/6zr1/6nb1/6w1/6ta1/6）（cxby）；
52、其中x+y=1，多元复合陶瓷粉的化学式包括但不限于上述内容。
53、（2）向多元复合陶瓷粉中添加质量百分比2.0%的镍包铝合金粉（ni&al）形成复合粉末，其中镍包铝合金粉的粒径为10-25μm。将复合粉末放入行星式球磨机中均匀混合。球磨工艺为：采用球磨机球磨时先正转110min后，停转15min，再反转110min后停转15min，正反转过程重复3次，球磨介质大球和小球个数比为1:5。
54、（3）向步骤（2）混合后的复合粉末中加入无水乙醇或有机胶调和成糊状，放入搅拌机中以30r/min搅拌9min。之后均匀地将复合粉末涂覆于金属基体表面，放入温度为80℃的干燥箱中烘干190min，最终形成预置涂层，预置涂层厚度为1.5mm。所述金属基体表面打磨光亮，做去油、除锈处理。
55、（4）以激光束作为热源，对预置涂层进行激光熔覆处理基体、高熵合金熔覆涂层，得到所述的高熵陶瓷增强铁基复合材料。其中，激光的扫描速度为1.2mm/s，激光功率为2680w，离焦量为25mm，光斑直径为2.5mm；保护气体采用氩气，气体流量为9l/min。
56、激光扫描角度为45°；激光路径呈往复式扫描，并与上一段路径重合0.5mm，从而保证熔覆层之间具有良好的结合性。
57、在基体表面熔覆铺设一层高熵陶瓷熔覆层后，下一层扫描路径与上一层扫描路径呈60°，从而保证高熵陶瓷熔覆层整体的各向同性。
58、实施例
59、一种激光熔覆制备高熵陶瓷增强金属基复合材料的方法，包括如下步骤：
60、（1）制备多元复合陶瓷粉：将粒径范围在0.1微米~5微米之间的五种原料进行混合，其中原料包括金属主元和非金属主元，所述金属主元为ti、cr、zr、nb、hf、ta、w、和cu中的五种或者五种以上的元素组成；所述非金属主元由c和b组成。各个组分纯度均大于等于99.9%。
61、优选的，多元复合陶瓷粉的化学式为：
62、（ti1/7cr1/7zr1/7nb1/7hf1/7ta1/7cu1/7）（cxby）；
63、其中x+y=1，多元复合陶瓷粉的化学式包括但不限于上述内容。
64、（2）向多元复合陶瓷粉中添加质量百分比2.7%的镍包铝合金粉（ni&al）形成复合粉末，其中镍包铝合金粉的粒径为10-25μm。将复合粉末放入行星式球磨机中均匀混合。球磨工艺为：采用球磨机球磨时先正转120min后，停转15min，再反转120min后停转15min，正反转过程重复3次，球磨介质大球和小球个数比为1:5。
65、（3）向步骤（2）混合后的复合粉末中加入无水乙醇或有机胶调和成糊状，放入搅拌机中以30r/min搅拌10min。之后均匀地将复合粉末涂覆于金属基体表面，放入温度为90℃的干燥箱中烘干200min，最终形成预置涂层，预置涂层厚度为2mm。所述金属基体表面打磨光亮，做去油、除锈处理。
66、（4）以激光束作为热源，对预置涂层进行激光熔覆处理基体、高熵合金熔覆涂层，得到所述的高熵陶瓷增强铁基复合材料。其中，激光的扫描速度为1.6mm/s，激光功率为2680w，离焦量为25mm，光斑直径为2.5mm；保护气体采用氩气，气体流量为10l/min。
67、激光扫描角度为90°；激光路径呈往复式扫描，并与上一段路径重合0.6mm，从而保证熔覆层之间具有良好的结合性。
68、在基体表面熔覆铺设一层高熵陶瓷熔覆层后，下一层扫描路径与上一层扫描路径呈90°，从而保证高熵陶瓷熔覆层整体的各向同性。
69、本发明的核心创新点是通过激光熔覆制备出高熵陶瓷涂层，利用激光的高温作用，使多元复合粉末混合均匀，在高功率激光作用下，产生高温熔池，同时由于液态高温熔体的沉积和凝固过程在极短时间内完成，使得熔体凝固过程中形核率极大且晶核来不及生长，从而原位合成了细晶结构的高熵陶瓷熔覆层。有利于熔覆层与金属基体之间紧密结合，同时增加复合材料的耐磨性。
70、以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。