一种高硬度高熵合金涂层及其制备方法

本发明涉及一种高硬度高熵合金涂层及其制备方法，属于表面改性与激光熔覆制备高熵合金涂层。

背景技术：

1、高熵合金是由多个主元元素组成的多主元新型合金，其元素间具有等摩尔或接近等摩尔的浓度。与基于一种主要元素的传统合金相比，这种新型的合金具有更加优异的机械和抗氧化性能。自台湾学者开创性工作以来，已经报道了几种含有单一或组合的固溶相的hea，其中包括fcc、bcc或hcp结构。hea的常见加工路线包括机械合金化，等离子喷涂，电弧熔炼，溅射气相沉积，激光熔覆等。由于高熵效应、晶格畸变和迟缓的扩散效应，高熵合金相的形成显示出比传统合金元素更值得期待的性能。高熵合金的优越机械和抗氧化性能使这些材料成为航空装备应用的合适候选材料。

2、目前，已有报道的高熵合金主要分为体心立方(bcc)和面心立方(fcc)结构，并且通过对高熵合金中某种元素的浓度进行调控可对其结构构型进行调控。随着高熵合金材料应用领域的拓宽，在航天、航空等领域也有了较多应用。然而，航天航空领域对材料的性能有较高的要求，传统高熵合金的应用仍面临一些挑战，如抗拉强度和韧性之间的平衡。在高温和腐蚀环境中，合金往往容易发生晶界腐蚀、断裂等问题。细晶强化是一种常见的材料强化方法，通过细小的晶粒尺寸来提高材料的强度和韧性。细小的晶粒可以限制位错的运动，从而提高材料的强度。另一方面，固溶强化是通过在合金中固溶一些外加的合金元素，改变晶格结构，提高材料的强度和耐腐蚀性能。这些强化方法在提高合金性能方面已经得到了广泛应用。

3、然而，现有技术中关于高熵合金的细晶强化和固溶强化的研究仍有一些局限。在高熵合金中，如何通过细晶强化来提高韧性，同时通过固溶强化来提高强度，以实现强韧平衡，仍然是一个有待解决的问题。

4、此外，航空装备部件表面经常出现表面划伤、裂纹。磨损等问题，这些问题产生的主要原因在于许多航空部件所用的金属材料表面硬度不足，在高温、高压、振动等极端再喝下易产生缺陷。

5、综上，提供一种具有高硬度以及高韧性和高强度的高熵合金，应对现有航天航空领域对材料的苛刻要求是十分必要的。

技术实现思路

1、本发明为了解决现有上述技术问题，提供一种高硬度高熵合金涂层及其制备方法，通过工艺调控实现细晶强化和固溶强化的协同，以实现fecraltix高熵合金涂层的增强增韧以及高硬度。

2、本发明的技术方案：

3、本发明的目的之一是提供一种高硬度高熵合金涂层，该高熵合金涂层由fe、cr、al和ti按照摩尔比为1:1:1:1:(0.05～1)组成。

4、进一步限定，该高熵合金涂层为体心立方bcc和b2相的双相固溶体结构。

5、进一步限定，该高熵合金涂层硬度达到1000hv以上。

6、本发明的目的之二是提供一种上述高硬度高熵合金涂层的制备方法，具体的该方法包括以下步骤：

7、s1，将原料铁粉、铬粉、铝粉和钛粉混合按比例混合，平铺压实，获得预制高熵合金粉末层；

8、s2，对预制高熵合金粉末层进行激光熔覆得到高熵合金涂层，激光熔覆的工艺参数为：激光高度为0.5～25cm，功率800～2500w，移动速度2～30mm/s。

9、进一步限定，预制高熵合金粉末层厚度为0.5～13mm。

10、进一步限定，铁粉、铬粉、铝粉和钛粉的粒径为15～150μm。

11、进一步限定，铁粉、铬粉、铝粉和钛粉的纯度≥99.99wt.％。

12、进一步限定，激光功率为1000～1200w。

13、进一步限定，移动速度为5～10mm/s。

14、进一步限定，激光高度为10～15cm。

15、本发明有益效果：

16、本发明选用激光熔覆技术制备质量优异的高熵合金涂层，该涂层为体心立方bcc和b2相双相固溶体结构，通过在fe、cr和al中添加ti元素生成b2第二相，细化晶粒，增强晶界，降低了涂层的脆性断裂的风险，提高韧性，同时通过固溶强化提高了涂层的抗拉强度和硬度，其硬度达到1000hv以上。此外，本发明通过细晶强化和固溶强化的协同作用，使得合金在高温和腐蚀环境下具备更好的性能，同时克服了传统高熵合金的强韧平衡问题和晶界腐蚀问题，使其更适用于腐蚀性气体或液体环境。

技术特征：

1.一种高硬度高熵合金涂层，其特征在于，该高熵合金涂层由fe、cr、al和ti按照摩尔比为1:1:1:1:(0.05～1)组成。

2.根据权利要求1所述的高硬度高熵合金涂层，其特征在于，该高熵合金涂层为体心立方bcc和b2相的双相固溶体结构。

3.根据权利要求1所述的高硬度高熵合金涂层，其特征在于，该高熵合金涂层硬度达到1000hv以上。

4.一种权利要求1～3任一项所述的高硬度高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，预制高熵合金粉末层厚度为0.5～13mm。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，铁粉、铬粉、铝粉和钛粉的粒径为15～150μm。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，铁粉、铬粉、铝粉和钛粉的纯度≥99.99wt.％。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，激光功率为1000～1200w。

9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，移动速度为5～10mm/s。

10.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，激光高度为10～15cm。

技术总结
本发明公开了一种高硬度高熵合金涂层及其制备方法，属于表面改性与激光熔覆制备高熵合金涂层技术领域。本发明选用激光熔覆技术制备质量优异的高熵合金涂层，该涂层为体心立方BCC和B2相双相固溶体结构，通过在Fe、Cr和Al中添加Ti元素生成B2第二相，细化晶粒，增强晶界，降低了涂层的脆性断裂的风险，提高韧性，同时通过固溶强化提高了涂层的抗拉强度和硬度，其硬度达到1000HV以上。此外，本发明通过细晶强化和固溶强化的协同作用，使得合金在高温和腐蚀环境下具备更好的性能，同时克服了传统高熵合金的强韧平衡问题和晶界腐蚀问题，使其更适用于腐蚀性气体或液体环境。

技术研发人员：卢松涛,张鹏,吴晓宏,姚忠平,秦伟,李杨
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/6