由梯度结构与共晶组织组成的双重异构强韧一体化高熵合金涂层及其制备方法

本发明属于表面工程，涉及一种由梯度结构与共晶组织组成的双重异构强韧一体化高熵合金涂层及其制备方法。

背景技术：

1、随着航空、航天、能源等工业的高速发展，应用环境对金属结构材料性能要求的愈发严苛，一个困扰金属材料领域工程师和科学家多年的矛盾到现在为止仍难以解决，即强度和塑性难以协同提升。近年来，随着高熵合金的提出，超越了传统合金材料的限制，拓宽了合金的设计可能性，这类涂层有望材料强度和韧性的“倒置关系”突破，实现严苛环境下关键部件表面的有效防护。

2、内部具有强度差异很大的软区和硬区的异质结构为解决传统金属材料的强塑性矛盾提供了新的方法。当相邻区域承担不同的塑性应变时，在软区和硬区的边界都存在应变梯度。随着应变配分的发展和增大，应变梯度会同时增大，由此导致的几何必须位错积累将会产生背应力加工硬化。其将有助于防止材料在变形过程中出现颈缩，从而提高延性，比如重庆大学提出一种“一种晶粒尺寸和析出相双重异构镁合金及其制备方法”，借助晶粒细化与析出相强化协同提升镁合金板的强度和塑性。另外，x.d.lu在文章《metallictribological compatibility oflaser clad mo2ni3si/nisi metal silicide coatings》中通过增加γ-ni相的方式降低了三元硅化物的室温脆性，但在激光熔覆过程中仍存在易开裂的问题。目前，单一结构的fcc相系高熵韧性高但强度不足，bcc/laves相系高熵强度高但较脆，且梯度结构及多重异质结构在高熵合金中尚未得到应用，因此，高熵合金的强塑性的提高还有很大的发展潜力。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有高熵合金强韧性难以协同提升，强韧性不足的问题，而提供一种由梯度结构与共晶组织组成的双重异构强韧一体化高熵合金涂层及其制备方法。借助由laves相梯度分布的仿生结构与原位生成的共晶高熵合金，使涂层各位置的晶格畸变连续渐变，协同提升高熵合金复合涂层的强韧性。

2、本发明由梯度结构与共晶组织组成的双重异构强韧一体化高熵合金涂层的制备方法按照以下步骤实现：

3、一、对基体材料依次进行打磨、抛光和清洗，得到预处理的基体材料；

4、二、分别制备fecocrniy高熵合金粉体和三元金属硅化物粉体；

5、a、所述fecocrniy高熵合金粉体的制备方法如下：

6、按照fe：co：cr：ni＝1:1:1:y的原子比称取四种金属粉体，将四种金属粉体放入高能球磨机进行机械混合，混粉结束后干燥，得到fecocrniy高熵合金粉体；

7、其中fecocrniy高熵合金中的y为0.5～1.5；

8、b、所述xnisi三元金属硅化物粉体的制备方法如下：

9、按照x：ni：si＝2:2:1的质量比称取三种单质粉体，将三种单质粉体放入高能球磨机进行机械混合，混粉结束后干燥，得到xnisi三元金属硅化物粉体；

10、其中xnisi三元金属硅化物中的x为mo、ti或nb；

11、三、fecocrniy高熵合金粉体使用预置或者同步送粉的方式，采用激光熔覆工艺在预处理的基体材料表面熔覆形成fecocrniy高熵合金底层；

12、四、xnisi三元金属硅化物粉体使用预置或者同步送粉的方式，在fecocrniy高熵合金底层熔覆形成xnisi三元金属硅化物顶层，在fecocrniy高熵合金底层和xnisi三元金属硅化物顶层之间原位反应生成fecocrni2xsi共晶高熵合金，从而在基体材料上得到由梯度结构与共晶组织组成的双重异构强韧一体化高熵合金涂层。

13、本发明由梯度结构与共晶组织组成的双重异构强韧一体化高熵合金涂层的原料包括fecocrniy高熵合金粉体和xnisi三元金属硅化物粉体，xnisi三元金属硅化物粉体中x：ni：si的质量比为2:2:1；采用激光熔覆工艺在基体材料表面熔覆形成fecocrniy高熵合金底层，采用激光熔覆工艺在fecocrniy高熵合金底层上形成xnisi三元金属硅化物顶层，fecocrniy高熵合金底层和xnisi三元金属硅化物顶层之间原位反应生成含有laves相与fcc相的fecocrni2xsi共晶高熵合金；其中fecocrniy高熵合金中的y为0.5～1.5，xnisi三元金属硅化物中的x为mo、ti或nb。

14、本发明由梯度结构与共晶组织组成的双重异构强韧一体化高熵合金涂层利用激光熔覆的稀释效应与高熵合金的短程扩散机制，在fcc结构的韧性高熵合金fecocrniy与fcc/laves相复合的三元金属硅化物xnisi的中间位置通过双相扩散机制原位生成由fcc与laves交替的纳米级片状共晶高熵合金fecocrni2xsi。通过laves相的梯度分布，实现了涂层由顶部到底部晶格畸变逐渐变小进而完成了涂层由硬脆到软韧的强韧性匹配。

15、本发明借助梯度异质结构与共晶异质结构复合的双重异质异质结构协同提升涂层的强韧性，通过梯度结构以及laves相与fcc相的软硬差异导致的异质变形为合金提供额外的背应力强化，进一步提高合金的强度和塑性，使其具有优异的抗冲击性能与耐磨性能。

技术特征：

1.由梯度结构与共晶组织组成的双重异构强韧一体化高熵合金涂层的制备方法，其特征在于该制备方法按下列步骤实现：

2.根据权利要求1所述的由梯度结构与共晶组织组成的双重异构强韧一体化高熵合金涂层的制备方法，其特征在于步骤一中基体材料为38crmoal高强钢或者a100高强钢。

3.根据权利要求1所述的由梯度结构与共晶组织组成的双重异构强韧一体化高熵合金涂层的制备方法，其特征在于步骤二中金属粉体或者单质粉体的粒径为75～150μm。

4.根据权利要求1所述的由梯度结构与共晶组织组成的双重异构强韧一体化高熵合金涂层的制备方法，其特征在于步骤a或者步骤b中的球磨过程中，磨球为al2o3陶瓷球，控制球料质量比为2:1，转速为250r/min，球磨时间为30～50min。

5.根据权利要求1所述的由梯度结构与共晶组织组成的双重异构强韧一体化高熵合金涂层的制备方法，其特征在于步骤a或者步骤b中所述的干燥采用真空干燥箱，干燥温度控制为120℃。

6.根据权利要求1所述的由梯度结构与共晶组织组成的双重异构强韧一体化高熵合金涂层的制备方法，其特征在于步骤三中激光熔覆过程中的工艺参数为激光功率1000～1500w，扫描速率10～25mm/s，搭接率25～35％，光斑直径3mm，送粉速率0.1～0.15g/s。

7.如权利要求1制备的由梯度结构与共晶组织组成的双重异构强韧一体化高熵合金涂层，其特征在于该双重异构强韧一体化高熵合金涂层的原料包括fecocrniy高熵合金粉体和xnisi三元金属硅化物粉体，xnisi三元金属硅化物粉体中x：ni：si的质量比为2:2:1；采用激光熔覆工艺在基体材料表面熔覆形成fecocrniy高熵合金底层，采用激光熔覆工艺在fecocrniy高熵合金底层上形成xnisi三元金属硅化物顶层，fecocrniy高熵合金底层和xnisi三元金属硅化物顶层之间原位反应生成含有laves相与fcc相的fecocrni2xsi共晶高熵合金；其中fecocrniy高熵合金中的y为0.5～1.5，xnisi三元金属硅化物中的x为mo、ti或nb。

8.根据权利要求7所述的由梯度结构与共晶组织组成的双重异构强韧一体化高熵合金涂层，其特征在于fecocrni高熵合金底层的厚度为0.3～0.7mm。

9.根据权利要求7所述的由梯度结构与共晶组织组成的双重异构强韧一体化高熵合金涂层，其特征在于xnisi三元金属硅化物中的x为mo。

10.根据权利要求7所述的由梯度结构与共晶组织组成的双重异构强韧一体化高熵合金涂层，其特征在于由梯度结构与共晶组织组成的双重异构强韧一体化高熵合金涂层的厚度为1～1.5mm。

技术总结
由梯度结构与共晶组织组成的双重异构强韧一体化高熵合金涂层及其制备方法，本发明为了解决现有高熵合金强韧性难以协同提升，强韧性不足的问题。制备方法：一、对基体材料打磨抛光清洗；二、分别制备FeCoCrNi<subgt;y</subgt;高熵合金粉体和三元金属硅化物粉体；三、采用激光熔覆工艺在基体材料表面熔覆形成FeCoCrNi<subgt;y</subgt;高熵合金底层；四、在带有FeCoCrNi<subgt;y</subgt;高熵合金涂层的基体上熔覆三元金属硅化物粉体作为涂层顶层。本发明利用激光熔覆的稀释效应与高熵合金的短程扩散机制，在底层和顶层之间原位反应生成FeCoCrNi<subgt;2</subgt;XSi共晶高熵合金。通过Laves相的梯度分布，实现了涂层由硬脆到软韧的强韧性匹配。

技术研发人员：金国,陈迪,崔秀芳,关亚杰,李昕瑶,封立同,戴钟涛
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17