[发明专利]激光熔覆用高熵合金粉末及熔覆层制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明涉及多主元激光熔覆材料及熔覆层制备领域，更加具体地说，具体涉及一种激光熔覆用高熵合金粉末及熔覆层制备方法和用途。

背景技术

激光熔覆是近年来快速发展的一种表面改性技术，它通过在基材表面添加熔覆材料,并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，从而在基材表面形成冶金结合的熔覆层。传统的激光熔覆粉末是以单一主元为基体的合金体系，如镍基、铁基、钴基自熔性合金粉末，而多主元高熵合金是上世纪九十年代由我国台湾学者叶均蔚教授提出的一种新型合金，此种合金设计理念的提出，打破了传统合金单元素为主的设计思想，开启了一个新的合金设计领域。

按照Gibbs相规则，当合金由多种主要元素组成时，F=C—P+1，F为自由度，C为组元数，P为相数。在恒压下，一个C组元系统中最大的平衡相数P=C+1。因此，高熵合金倾向于形成简单固溶体，而不是形成金属间化合物，使得合金内相的总数远远低于Gibbs相规则所允许的数值。高熵效应是造成这种现象的原因。由于高熵效应抑制了脆性金属间化合物的出现，高熵合金凝固后不仅不会形成数目众多的金属化合物，反而形成简单的体心立方或面心立方相甚至非晶质，所得相数远远低于平衡相率所预测的相数。因此，通过适当的合金配方设计，可获得高硬度、高加工硬化、耐高温软化、耐高温氧化、耐腐蚀、高电阻率等优异特性，可应用于耐高温材料，化工、舰船耐腐蚀性材料，飞机涡轮叶片、高温炉的耐热材料，具有很大的应用前景。

但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，直接用于激光熔覆时难以获得表面连续、成形良好、成分均匀的熔覆层。因此，配制适合于激光熔覆的高熵合金粉末是显得尤为必要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种高熵合金粉末材料及熔覆层制备方法，获得成形良好的熔覆层，提高材料硬度和耐磨性。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

激光熔覆用高熵合金粉末，由Fe、Ni、Cr、Al、Si和Mn元素粉末组成，即合金粉末组成表示为FeNiCrAlSiMnx，x为Mn的摩尔比且其取值范围为0～1，具体来说，所述Fe、Ni、Cr、Al、Si之间为等摩尔比，调整金属Mn的用量，以使其使用摩尔量与Si（或者其余四种元素）的摩尔比为0～1，优选0.3—1，更加优选0.5—0.7。

在进行制备时，首先按照各自元素的摩尔比进行配比计算，准确称量各个组分的质量后将其进行充分混合以均匀即可，例如采用电子称称取各种元素的粉末，在研钵中研磨半小时使其混合均匀。其中选用各个组分均为纯度大于等于99％的粉末，粒径为100—500目，优选200—300目。

利用本发明的合金粉末应用到激光熔覆焊接中，将激光熔覆用高熵合金粉末和乙醇混合后，均匀涂覆在基体材料表面，干燥后通过激光熔覆即可获得熔覆层。

其中所述乙醇选用分析纯的无水乙醇，在激光熔覆用高熵合金粉末和乙醇混合物中，按照质量百分数由92～95%的合金粉末与5～8%的乙醇组成。

在混合后，形成糊状或膏状，以便于在基体材料表面继续涂覆，经涂覆后在基体材料表面形成预制层，所述预制层厚度为1—2mm。

在进行激光熔覆时，选用基体材料为42CrMo钢，工艺参数为：激光功率为1550～1650KW，光斑直径为0.8～1.0mm，扫描速度为150～200mm/min，离焦量为0mm，保护气体采用氩气或氦气，气体流量为20～25L/min；优选激光功率为1580～1620KW，光斑直径为0.8～1.0mm，扫描速度为180～200mm/min，离焦量为0mm，保护气体采用氩气，气体流量为22～25L/min。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

（1）本发明合金粉末中，除去基本元素铁之外充分发挥各个元素的最大性能，Ni主要用于提高材料润湿性并改善熔覆层性能，Cr主要通过固溶强化提高熔覆层硬度以及用于提高熔覆层耐蚀性，Al主要提高熔覆层的抗高温氧化性能，并通过固溶强化作用和增大晶界滑移阻力来提高熔覆层硬度。此外，由于铝表面极易氧化形成致密的氧化膜，在合金中添加Al还可以提高熔覆层的耐蚀性，Si和Mn主要用于脱氧。

（2）本发明提供了一种高熵合金粉末及熔覆层制备方法，该方法工艺简单，实施简便，成本适中，具有应用价值。

（3）本发明制备了成形良好、硬度较高、耐磨性较好的熔覆层。此外，与其他方法相比，激光熔覆获得的涂层与基材结合强度更高。

附图说明