[发明专利]激光熔覆用高熵合金粉末和高熵合金涂层的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及合金材料技术领域，具体涉及一种适用于激光熔覆表面涂层技术的高熵合金粉末，以及采用该高熵合金粉末制备出高熵合金涂层。

背景技术

传统的合金设计理念大多是以单一主元为基体的合金体系，一般认为合金元素种类的过多会导致很多化合物尤其是脆性金属间化合物的出现，从而导致合金性能的恶化，使材料失去应用价值。1995年，台湾清华大学叶均蔚教授等人提出高熵合金的概念，高熵合金打破传统的合金设计理念，合金由5种或5种以上合金元素按等摩尔比或近等摩尔比配制，每种主元含量的原子百分比在5%-35%之间。多主元高熵合金借助其特有的高熵效应，缓慢扩散效应，纳米相强化及超高晶格畸变等特点，可有效避免传统多元合金脆性相的析出，多形成简单的FCC和BCC固溶体相结构，从而有利于保持合金的高韧性，并可以赋予材料高的硬度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等多种优异性能。

由于高熵合金具有较好的综合性能，但是一般在设计过程中含有很多贵重金属元素，如Co，V等，所以直接使用块体材料成本较高，而激光熔覆可以在低成本金属材料表面涂覆上高性能的高熵合金涂层，这将具有良好的应用前景。但是激光熔覆制备高熵合金涂层与真空电弧熔炼法制备高熵合金不同，由于高熵合金粉末中不同种类的金属元素之间及其与基体材料之间密度、熔点、比热和膨胀系数等热物理性能存在较大差异，直接用于激光熔覆一方面难以得到成分均匀的涂层，涂层的成形质量和表面连续性无法满足生产使用要求，另一方面激光熔覆过程中各个元素会有烧损，实际得到的合金涂层并不一定是名义上的高熵合金范畴。由此可见，对于激光溶覆专用的高熵合金粉末设计有较高的要求。但因其具备多种优异性能，所以制造激光熔覆专用高熵合金粉末及对激光熔覆的工艺控制具有非常大的意义。

公开号为CN102828139A的专利文献公开了一种喷涂用高熵合金粉末，其采用在高熵合金粉末中添加Si、B元素以提高其自熔性和喷涂效果，但是FeCrNiCoCu粉末激光溶覆实验时，其表面成形质量不佳，改变激光溶覆工艺参数亦改善不了其成形质量，发明人经过大量的激光溶覆试验，发现影响FeCrNiCoCu涂层成形质量的主要因素是Cu元素，该元素容易产生严重的偏析现象。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明的目的之一是提供一种激光熔覆用高熵合金粉末，该粉末激光熔覆后容易获得良好的涂层涂覆质量，涂层的相结构保持高熵合金特有的固溶体结构，并且熔覆涂层中各主要金属元素的原子百分比符合名义上的高熵合金范畴，具有硬度高、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等多种优异性能，工艺重复性和可操作性都大大提高，使得高熵合金在激光材料表面改性上得到推广应用。

本发明的目的之二是提供一种高熵合金涂层的制备方法，采用上述高熵合金粉末激光熔覆制成。

为了达到上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种激光熔覆用高熵合金粉末，该高熵合金粉末的质量百分比为：10%～15%的Fe，14～17%的Cr，22%～25%的Ni，22%～24%的Co，22%～24%的Mn，0%～4%的Si，0%～4%的B。

该高熵合金粉末主要由Fe、Cr、Ni、Co、Mn五种金属元素组成，这五种金属元素中的任一种在该高熵合金粉末所占的原子百分比为5～35％，并添加了少量非金属Si、B元素，添加的少量元素Si，B的含量占总粉末质量分数的0～8%。若Fe、Cr、Ni、Co、Mn各元素按等摩尔比配置，转化为质量分数如下：19.9%的Fe，18.5%的Cr，21%的Ni，21%的Co，19.6%的Mn，那么经过激光熔覆后得到的涂层由于稀释和烧损的缘故得到的涂层非高熵合金范畴。而本发明配方考虑了激光熔覆过程中基体对涂层的稀释和各元素的烧损，通过调整各元素的含量，激光溶覆后得到了名义上的高熵合金，这将更能充分发挥其优良的综合性能。相对于现有技术而言，本发明以Mn元素替代现有技术中Cu元素后，由于合金的流动性增加使得涂层的成形质量大大改善，该粉末激光熔覆后容易获得良好的涂层涂覆质量，涂层的相结构保持高熵合金特有的固溶体结构，并且熔覆涂层中各主要金属元素的原子百分比符合名义上的高熵合金范畴，具有硬度高、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等多种优异性能，工艺重复性和可操作性都大大提高，使得高熵合金在激光材料表面改性上得到推广应用。因此本发明的FeCrNiCoMn高熵合金粉末更适用于激光溶覆。

另外，为提高涂层的硬度，本发明在上述方案的成份基础上添加了另一组元Al，由于Al的原子半径相比Fe、Cr、Co、Ni和Mn大很多，提升了固溶强化作用，因此，上述方案调整为：