[发明专利]一种超高速激光熔覆用核壳结构陶瓷@中熵合金复合粉末及其涂层、制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种超高速激光熔覆用核壳结构陶瓷@中熵合金复合粉末及其涂层、制备方法和应用，复合粉末是由CoCrNi中熵合金为外壳材料包覆Crsubgt;3/subgt;Csubgt;2/subgt;陶瓷核组成。本发明采用包覆型核壳粉体结构的高硬度Crsubgt;3/subgt;Csubgt;2/subgt;陶瓷颗粒和高韧性中熵FCC面心立方相协同复合，通过合理的成分配比设计，利用超高速激光原位两步法工艺，解决了现有金属陶瓷粉末在超高速激光熔覆快速熔凝过程中易开裂的技术难题，实现了无裂纹缺陷、高陶瓷含量以及强韧一体化复合涂层的高效制备；且全部工艺流程利用激光器一体化完成，极大地提高了制备生产效率，有利于产业化发展；可用于极端工况服役的航空航天、水利海洋、国防科技等领域装备关键零部件的制造与运行维护。

技术领域

本发明涉及一种超高速激光熔覆用核壳结构陶瓷@中熵合金复合粉末及其涂层、制备方法和应用，属于材料表面工程与再制造技术领域。

背景技术

作为一项新兴的先进表面工程技术，超高速激光熔覆具有制备效率高、粉末利用率高、涂层表面精度高、稀释率低、热影响区小、涂层厚度薄、涂层与基体间冶金结合等优点，可能成为传统涂层技术的革命性替代技术，同时其绿色节能环保的环境优势及良好的经济效益使其在航空、航天、汽车、海洋、能源等领域高端装备的防护与再制造方面具有巨大的应用潜力。然而，现阶段报道用于超高速激光熔覆涂层材料多是沿用传统激光熔覆或热喷涂粉末材料，且材料体系较为单一，如自熔剂合金、铁基合金、镍基合金、Stellite钴基合金等，已无法满足装备在极端工况下长寿命服役的性能需求，其质量不足与种类短缺已成为超高速激光熔覆技术发展的制约“瓶颈”，目前仍缺乏针对超高速激光熔覆技术特点的专用系列化和精细化的粉末体系。因此，研究开发与其特点相匹配的新型超高速激光熔覆专用粉末体系对于其大力推广应用具有重要意义。

近年来，具有突出延展性和耐损伤性的CrCoNi中熵合金，拥有比高熵合金和大多数多相合金更为优异的加工硬化和强塑性平衡能力，是一种具有巨大工程应用潜力的新材料。利用快速熔凝的激光制造技术可利于提升CrCoNi中熵合金位错密度和促进胞状组织的形成，使其具有力学性能更优异、效率更高以及通用性更好。韩国原子能研究所通过直接激光能量沉积技术成功制备出了屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为490 MPa、800MPa 和57％的CrCoNi中熵合金；但上海交通大学近期研究表明选区激光增材制造CrCoNi中熵合金的最高硬度仅245.6 HV_0.3，较低的硬度限制了其在极端工况条件下广泛应用。为提升中熵合金涂层的硬度与耐磨性能，陶瓷复合是一种快捷有效的技术途径。目前，陶瓷复合方式主要通过先驱体粉末原位自生和球磨混合两种方法，然而，由于金属与陶瓷粉体的物化性能差异，使得后续成型过程中陶瓷粒子在金属基体内分布难以控制，且呈团聚状偏析，造成其内部性能的差异，致使所受应力的不均匀，从而引发提前失效。同时，超高速激光熔覆小的光斑密度及较大的熔覆线速度使得熔覆层处于极热极冷的状态，在较高的陶瓷含量下，会造成熔覆层中产生较大的残余应力，导致熔覆层极易开裂，直接影响涂层性能。因此，开发一种超高速激光熔覆专用的成分均匀、粒度可控、流动性好、强韧均衡型陶瓷/中熵合金复合粉末，具有重要的工程实际意义。

发明内容

发明目的：为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种超高速激光熔覆用核壳结构陶瓷@中熵合金复合粉末，该复合粉末是由CoCrNi中熵合金为外壳材料包覆Cr₃C₂陶瓷核组成，显著提升中熵合金涂层的硬度与耐磨性能。

同时，本发明提供一种超高速激光熔覆用核壳结构陶瓷@中熵合金复合粉末的制备方法，以湿化学还原技术制备核壳结构复合粉体作为切入点，本方法合成的复合粉末具有CrCoNi中熵合金在Cr₃C₂陶瓷颗粒表面分布均匀、含量可控、合金包覆层与陶瓷间结合力强、杂质含量低等优点，在超高速激光熔覆快速熔凝条件下能形成无裂纹缺陷且陶瓷相分布均匀、韧性良好以及高硬度的熔覆沉积层。