[发明专利]一种超声冲压复合电弧制备高熵合金熔覆层的方法

说明书

本发明公开一种超声冲压复合电弧制备高熵合金熔覆层的方法，通过调整电弧增材参数以及超声冲压的参数成功在基材表面熔覆高熵合金层，本申请所用超声装置属于随焊机构，故能在熔覆层还存在塑性形变阶段就实施超声冲压，通过调整电弧增材和冲压设备系数后可有效改善熔覆层组织晶粒粗大现象，同时，降低应力集中系数，使冲压区形成压应力，最终在基材表面成功熔覆高熵合金材料，基于高熵合金本身的优异性能，可显著提高熔覆层的机械性和耐腐蚀性。

技术领域

本发明属于粉末电弧增材制造领域，具体涉及一种超声冲压复合电弧制备高熵合金熔覆层的方法。

背景技术

由两种或两种以上的金属元素，或金属元素和非金属元素组成的具有金属性质的物质，称为合金。组成合金的独立的、最基本的单元称为组元，组元可以是纯元素或是稳定的化合物。由两个组元组成的合金称为二元合金，由三个以上组元组成的合金为多元合金。当各组元相互作用组成合金时，可在合金内形成一种或几种相。合金性能取决于组成合金的各相本身的晶体结构和合金组织状体。在固态下，合金组元会相互溶解，形成在某一组元晶格中包含有其他组元的新相，这种新相称为固溶体。对于固溶体合金，经典的固溶强化理论已经可以解释相当一部分实际材料中的合金化效果问题。固溶强化理论认为，合金元素的添加在晶格中造成局域的应力场，该应力场与相遇的刃位错的应变场发生交互作用产生能量，使材料内能增加，产生强化。2004年，Yeh等人和Cantor等人分别提出高熵合金和等原子比多组元合金的概念。高熵合金是由5种或5种以上主要元素构成的，且是每种主要元素的原子分数＞5％并＜35％的合金材料。区别于传统合金基于1-2种主元元素的设计方法，这种新型的合金设计丰富了合金类别，部分设计出来的高熵合金融合了多种金属元素的优异性能。

高熵合金在凝固过程中，合金最终的微观结构与其合金成分和凝固条件有着密切关系。虽然多主元高熵合金在凝固后能够形成相对简单的相，所生成的相数也远远小于吉布斯相预测的平衡相数。但是，影响高熵合金组织形成的热力学因素和动力学因素比较多，除了简单的固溶体外，有序的金属间化合物、纳米级析出物和非晶态相等也会在合金中生成。

多主元高熵合金特殊的组织结构赋予其优良的综合性能。其中，最典型的组织为多主元固溶体，由于固溶体中各主元的含量相当，无明显的溶剂和溶质之分，因此也被认为是一种超级固溶体，其固溶强化效应异常强烈，会显著提高合金的强度和硬度。而少量有序相的析出和纳米晶及非晶相的出现也会对合金起到进一步强化效果。此外，多主元高熵合金的缓慢扩散效应和多主元的集体效应也能显著影响合金的性能。因此，高熵合金具有一些传统合金无法比拟的优异性能，如高强度、高硬度、高耐磨、耐腐蚀性、高热阻、高电阻率、抗高温氧化等。

基于高熵合金的优异性能，其在不同领域均得到了有效应用。如通过在刀具上制备具有高硬度，耐腐蚀的熔覆层可起到保护刀具的效果；在军舰、坦克的表面涂覆高强度、高硬度的高熵合金熔覆层亦可提高其作战能力等。目前，针对高熵合金制备的研究主要集中于真空电弧熔炼法、粉末冶金法、磁性溅射法、机械合金化法等方法。这些传统制备方法普遍存在技术难度过大、制备设备投资成本过高、高熵合金成分复杂、不易于生产操作、制备成本高昂等问题。