一種高熵增塑非晶合金復(fù)合表面的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高熵增塑非晶合金復(fù)合表面的制備方法，涉及非晶合金的表面改性。其主要步驟為：1)將非晶合金表面用砂紙打磨拋光，并用酒精清洗表面；2)通過超聲氣霧化法制得高熵合金粉末；3)采用激光熔注方法將高熵合金粉末注入非晶合金表面，使表面獲得高熵增塑的復(fù)相結(jié)構(gòu)；4)將鋁箔貼附在復(fù)合表面上，以流水為約束層，采用激光噴丸處理高熵增塑的非晶合金復(fù)合表面，進(jìn)一步強(qiáng)化非晶合金的塑性。本發(fā)明結(jié)合高熵合金良好塑性，集激光熱力效應(yīng)的優(yōu)點于一體，綜合調(diào)控非晶合金表面的相組成、微觀結(jié)構(gòu)與應(yīng)力狀態(tài)，以提高非晶合金整體塑性。本發(fā)明工藝過程簡單，易操作，適合于大規(guī)模批量化生產(chǎn)。因此，通過本發(fā)明可以制備出高塑性的非晶合金。
【專利說明】一種高熵增塑非晶合金復(fù)合表面的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及非晶合金表面處理【技術(shù)領(lǐng)域】，特指一種高熵增塑非晶合金復(fù)合表面的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自非晶合金出現(xiàn)以來，其獲得了廣泛而深入的研究，目前，已開發(fā)出多種非晶合金，如Zr基、Cu基、Mg基、Pb基、Al基、Fe基非晶合金等，其制備尺度也越來越大。與晶態(tài)合金相比，非晶合金具有高強(qiáng)度、高硬度、高彈性應(yīng)變極限、高耐磨耐蝕等優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)，應(yīng)用前景廣闊。但是，室溫條件下非晶合金的塑性很差，其斷裂方式為典型的脆性斷裂，嚴(yán)重限制了其工程應(yīng)用。
[0003]探索兼具高強(qiáng)度和高塑性的材料一直是人們追求的目標(biāo)。對晶態(tài)合金而言，隨著其強(qiáng)度的提高往往伴隨著塑性的降低。與晶態(tài)合金相比，非晶合金因其長程無序的結(jié)構(gòu)具有更高的強(qiáng)度和硬度，但是其塑性更差，斷裂時幾乎無塑性變形。為了提高非晶合金的塑性，人們開展了廣泛的研究。微合金化是提高材料性能的重要方法，將其應(yīng)用到非晶合金中在一定程度上提高了其室溫塑性，但還比較有限，而且會影響非晶合金的玻璃形成能力。復(fù)合法也是非晶合金的主要增塑方法，可以通過外加或原位生成的方式引入非晶相或晶化相構(gòu)成復(fù)合結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，在非晶合金中引入第二相能夠提高其整體塑性，這主要是因為第二相與剪切帶的交互作用。此外，表面處理也可以有效提高非晶合金的室溫塑性，如噴丸、機(jī)械研磨等。研究發(fā)現(xiàn)，噴丸處理能夠在非晶合金表面引入殘余壓應(yīng)力，而且在非晶合金中引入大量的剪切帶，這都是其室溫塑性得到提高的重要原因。綜合來看，現(xiàn)有提高非晶合金塑性的方法雖然都能提高非晶合金的室溫塑性，但這些方法不僅增塑效果仍有限，而且只適合特定成分的非晶合金，對不同的非晶合金的增塑效果差異很大，不具有普適性。因此，發(fā)展一種適應(yīng)性強(qiáng)的效果明顯的非晶合金增塑方法對于推動非晶合金的工程應(yīng)用具有重要的意義。
`[0004]針對現(xiàn)有方法存在的問題，本發(fā)明從表面微觀結(jié)構(gòu)與應(yīng)力狀態(tài)的調(diào)控出發(fā)，提出一種高熵增塑非晶合金復(fù)合表面的制備方法。結(jié)合高熵合金優(yōu)異的力學(xué)性能，采用超聲霧化法、激光熔注與激光噴丸相結(jié)合的復(fù)合方法將高熵合金增強(qiáng)體引入非晶合金表面，并通過激光熱力復(fù)合效應(yīng)綜合調(diào)控非晶合金表面的相組成、微觀結(jié)構(gòu)與應(yīng)力狀態(tài)，制備出高熵增塑的非晶合金復(fù)合表面，顯著提高非晶合金的室溫塑性。此工藝過程簡單，易操作，適合于大規(guī)模批量化生產(chǎn)。因此，通過本發(fā)明可以制備出高塑性的非晶合金，滿足實際應(yīng)用的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]非晶合金因其優(yōu)異的力學(xué)性能具有廣闊的應(yīng)用前景，但是，其室溫塑性較差，這嚴(yán)重限制了其工程應(yīng)用。為滿足實際應(yīng)用的需求，必須有效提高其室溫塑性。然而，現(xiàn)有方法還存在自身難以克服的一些問題，使其應(yīng)用范圍受到限制。本發(fā)明的目的是為解決現(xiàn)有方法的問題，提供一種高熵增塑非晶合金復(fù)合表面的制備方法，其通過超聲霧化法、激光熔注與激光噴丸相結(jié)合的復(fù)合方法綜合調(diào)控非晶合金表面的相組成、微觀結(jié)構(gòu)與應(yīng)力狀態(tài)，產(chǎn)生復(fù)相增塑、異質(zhì)增塑與壓應(yīng)力增塑的協(xié)同作用，顯著提高非晶合金的室溫塑性，推動其工程應(yīng)用。
[0006]本發(fā)明解決上述問題的技術(shù)方案是:采用超聲霧化法、激光熔注與激光噴丸相結(jié)合的復(fù)合方法制備高塑性的非晶合金，將高熵合金引入非晶合金表面構(gòu)成復(fù)相結(jié)構(gòu)，起到復(fù)相增塑的作用，并通過激光噴丸調(diào)控非晶合金表面殘余應(yīng)力，產(chǎn)生應(yīng)力增塑的作用，從而顯著提高非晶合金的室溫塑性。其步驟為:
1)將非晶合金表面用砂紙打磨拋光，并用酒精清洗表面；
2)通過超聲氣霧化法制得高熵合金粉末；
3)采用激光熔注方法將高熵合金粉末注入非晶合金表面，獲得高熵增塑的復(fù)相結(jié)構(gòu)的非晶合金復(fù)合表面；
4)將鋁箔貼附在步驟3)獲得的復(fù)合表面上，以流水為約束層，采用激光噴丸處理高熵增塑的非晶合金復(fù)合表面，進(jìn)一步強(qiáng)化非晶合金的塑性。
[0007]所述的非晶合金為Zr基、Al基、Cu基、Ti基、Mg基、Fe基或Pb基非晶合金。
[0008]所述的超聲氣霧化法的霧化介質(zhì)為氬氣、氦氣或氮氣,霧化壓力為10_20MPa。
[0009]所述的高熵合金粉末的平均顆粒直徑為5-20 μ m。
[0010]所述的激光熔注采用連續(xù)CO2 *Nd:YAG激光器，激光掃描速度為10-50mm/s，送粉量為10-100mg/S，搭接率為20-80%。所`述的連續(xù)CO2激光器的最大功率為5KW，所述的連續(xù)Nd = YAG激光器的最大功率為2KW。
[0011]所述的鋁箔厚度為20-50Mm。
[0012]所述的激光噴丸處理采用納秒脈沖激光器，參數(shù)為:激光功率密為l_5GW/cm2，激光脈寬為5-40ns，光斑直徑為l_5mm，搭接率為20%_80%。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)點在于:高熵合金的相結(jié)構(gòu)以簡單的面心立方或體心立方為主，這決定其不僅具有高的強(qiáng)度，而且具有良好的塑性，以其為增強(qiáng)體不僅能夠阻礙單一剪切帶的滑移，促進(jìn)多剪切帶的產(chǎn)生和滑移，起到增塑的作用，而且其自身塑性同樣對增塑有一定貢獻(xiàn)，因此，高熵合金增強(qiáng)體具有雙重增塑作用；超聲氣霧化法制備的高熵合金粉為球形，能夠降低增強(qiáng)體對非晶合金基體的割裂作用，其直徑能夠控制在激光熔注所需的合適尺度，保證增強(qiáng)體順利進(jìn)入表面熔池，形成復(fù)相結(jié)構(gòu)；激光熔注不僅在非晶合金表面引入高熵增強(qiáng)相，而且其對非晶合金表面的重熔作用能夠進(jìn)一步優(yōu)化表面微觀結(jié)構(gòu)，如形成異質(zhì)點，產(chǎn)生異質(zhì)增塑的作用，更有助于塑性的提高；激光噴丸能夠使激光熔注產(chǎn)生的表面拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變成壓應(yīng)力，調(diào)控表面應(yīng)力狀態(tài)，而且能夠產(chǎn)生更多的剪切帶，這都利于非晶合金塑性的進(jìn)一步提高。此外，本發(fā)明適應(yīng)性強(qiáng)，協(xié)同增塑效果明顯，工藝過程簡單，易操作，適合于大規(guī)模批量化生產(chǎn)。
【具體實施方式】
[0014]本發(fā)明中高塑性的非晶合金是通過超聲霧化法、激光熔注與激光噴丸相結(jié)合的復(fù)合方法制備而成。首先將非晶合金表面用砂紙打磨拋光，并用酒精清洗干凈，然后采用超聲霧化法制備高熵合金球形粉末，并通過激光熔注方法將其注入非晶合金表面，制得高熵增塑的復(fù)合表面，最后將鋁箔貼附在復(fù)合表面上，以流水為約束層，采用激光噴丸處理高熵增塑的非晶合金復(fù)合表面，進(jìn)一步強(qiáng)化非晶合金的塑性。采用本發(fā)明處理的非晶合金，能夠產(chǎn)生復(fù)相增塑、異質(zhì)增塑與應(yīng)力增塑的協(xié)同作用，顯著提高非晶合金的室溫塑性，推動其工程應(yīng)用。
[0015]實施例1:
1)將鋯基非晶合金Zr56.2Cu19.3Al15.5Ni9表面用砂紙打磨拋光，并用酒精清洗表面；
2)通過超聲氣霧化法制得5μ m的AlCoCrFeNi高熵合金粉末，霧化介質(zhì)為氬氣，霧化壓力為2OMPa ；
3)采用連續(xù)CO2激光器通過激光熔注方法將高熵合金粉末注入非晶合金表面，激光功率為1000W，激光掃描速度為30mm/s，送粉量為lOmg/s，搭接率為20%，使表面獲得高熵增塑的復(fù)相結(jié)構(gòu)；
4)將鋁箔貼附在復(fù)合表面上，以流水為約束層，采用納秒脈沖激光器通過激光噴丸處理高熵增塑的非晶合金復(fù)合表面，激光功率密為lGW/cm2，激光脈寬為5ns，光斑直徑為1mm，搭接率為80%，進(jìn)一步強(qiáng)化非晶合金的塑性。
[0016]采用壓縮試驗測定處理前與處理后非晶合金的塑性，結(jié)果表明，處理后非晶合金的塑性由處理前的約0.9%提高到約7.8%，可見采用本發(fā)明處理后，非晶合金的塑性得到顯著提高。因此采用本發(fā)明可以制備出高塑性的非晶合金。
[0017]實施例2:
1)將Mg基非晶合金Mg65Cu24.5Gd9.5Bei表面用砂紙打磨拋光，并用酒精清洗表面；
2)通過超聲氣霧化法制得20μ m的AlCoCrCuNi高熵合金粉末，霧化介質(zhì)為氮氣，霧化壓力為IOMPa ；
3)采用連續(xù)Nd= YAG激光器通過激光熔注方法將高熵合金粉末注入非晶合金表面，激光功率為500W，激光掃描速度為lOmm/s，送粉量為lOOmg/s，搭接率為80%，使表面獲得高熵增塑的復(fù)相結(jié)構(gòu)；
4)將鋁箔貼附在復(fù)合表面上，以流水為約束層，采用納秒脈沖激光器通過激光噴丸處理高熵增塑的非晶合金復(fù)合表面，激光功率密為5GW/cm2，激光脈寬為40ns，光斑直徑為5mm,搭接率為20%，進(jìn)一步強(qiáng)化非晶合金的塑性。
[0018]采用壓縮試驗測定處理前與處理后非晶合金的塑性，結(jié)果表明，處理后非晶合金的塑性由處理前的約0.55%提高到約2.6%，可見采用本發(fā)明處理后，非晶合金的塑性得到顯著提高。因此采用本發(fā)明可以制備出高塑性的非晶合金。
[0019]實施例3:
1)將Ti基非晶合金Ti4tl.5Zr24.7Cu8.8Ni8.2Be17.8表面用砂紙打磨拋光，并用酒精清洗表
面；
2)通過超聲氣霧化法制得10μ m的Tia5CoCrFeNiAl高熵合金粉末，霧化介質(zhì)為氦氣，霧化壓力為15MPa ；
3)采用連續(xù)Nd= YAG激光器通過激光熔注方法將高熵合金粉末注入非晶合金表面，激光功率為800W，激光掃描速度為20mm/s，送粉量為50mg/s，搭接率為40%，使表面獲得高熵增塑的復(fù)相結(jié)構(gòu)；
4)將鋁箔貼附在復(fù)合表面上，以流水為約束層，采用納秒脈沖激光器通過激光噴丸處理高熵增塑的非晶合金復(fù)合表面，激光功率密為2GW/cm2，激光脈寬為10ns，光斑直徑為2mm,搭接率為50%，進(jìn)一步強(qiáng)化非晶合金的塑性。
[0020]采用壓縮試驗測定處理前與處理后非晶合金的塑性，結(jié)果表明，處理后非晶合金的塑性由處理前的約7.5%提高到約13.2%，可見采用本發(fā)明處理后，非晶合金的塑性得到顯著提高。因此采用本發(fā)明可以制備出高塑性的非晶合金。
[0021]實施例4:
1)將Cu基非晶合金Cu47Zr46Al7表面用砂紙打磨拋光，并用酒精清洗表面；
2)通過超聲氣霧化法制得15μ m的CuAlCrFeNia8高熵合金粉末，霧化介質(zhì)為氬氣，霧化壓力為13MPa ；
3)采用連續(xù)CO2激光器通過激光熔注方法將高熵合金粉末注入非晶合金表面，激光功率為1500W，激光掃描速度為50mm/s，送粉量為70mg/s，搭接率為60%，使表面獲得高熵增塑的復(fù)相結(jié)構(gòu)；
4)將鋁箔貼附在復(fù)合表面上，以流水為約束層，采用納秒脈沖激光器通過激光噴丸處理高熵增塑的非晶合金復(fù)合表面，激光功率密為4GW/cm2，激光脈寬為20ns，光斑直徑為3mm,搭接率為30%，進(jìn)一步強(qiáng)化非晶合金的塑性。
[0022]采用壓縮試驗測定處理前與處理后非晶合金的塑性，結(jié)果表明，處理后非晶合金的塑性由處理前的約1.1%提高到約5.9%，可見采用本發(fā)明處理后，非晶合金的塑性得到顯著提高。因此采用本發(fā)明可以`制備出高塑性的非晶合金。
【權(quán)利要求】
1.一種高熵增塑非晶合金復(fù)合表面的制備方法，其特征在于，以高熵合金為增強(qiáng)體，采用超聲霧化法、激光熔注與激光噴丸相結(jié)合的復(fù)合方法制備高熵增塑的非晶合金復(fù)合表面，并通過激光熱力復(fù)合效應(yīng)綜合調(diào)控非晶合金表面的相組成、微觀結(jié)構(gòu)與應(yīng)力狀態(tài)，從而顯著提高非晶合金的塑性，制備出高塑性的非晶合金；具體步驟為: A)將非晶合金表面用砂紙打磨拋光，并用酒精清洗表面； B)通過超聲氣霧化法制得高熵合金粉末； C)采用激光熔注方法將高熵合金粉末注入非晶合金表面，獲得高熵增塑的復(fù)相結(jié)構(gòu)的非晶合金復(fù)合表面； D)將鋁箔貼附在步驟C)獲得的復(fù)合表面上，以流水為約束層，采用激光噴丸處理高熵增塑的非晶合金復(fù)合表面，進(jìn)一步強(qiáng)化非晶合金的塑性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高熵增塑非晶合金復(fù)合表面的制備方法，其特征在于，所述步驟A)的非晶合金為Zr基、Al基、Cu基、Ti基、Mg基、Fe基或Pb基非晶合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高熵增塑非晶合金復(fù)合表面的制備方法，其特征在于，所述步驟B)的超聲氣霧化法的霧化介質(zhì)為氬氣、氦氣或氮氣，霧化壓力為10-20MPa。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高熵增塑非晶合金復(fù)合表面的制備方法，其特征在于，所述步驟B)的高熵合金粉末的平均顆粒直徑為5-20 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高熵增塑非晶合金復(fù)合表面的制備方法，其特征在于，所述步驟C)的激光熔注采用連續(xù)CO2激光器或連續(xù)Nd = YAG激光器，激光掃描速度為10-50mm/s，送粉量為 10-100mg/s，搭接率為 20-80%。`
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種高熵增塑非晶合金復(fù)合表面的制備方法，其特征在于，所述的連續(xù)CO2激光器的最大功率為5KW，所述的連續(xù)Nd = YAG激光器的最大功率為2KW。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高熵增塑非晶合金復(fù)合表面的制備方法，其特征在于，所述步驟D)的鋁箔厚度為20-50Mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高熵增塑非晶合金復(fù)合表面的制備方法，其特征在于，所述步驟D)的激光噴丸處理采用納秒脈沖激光器，參數(shù)為:激光功率密度為l-5GW/cm2，激光脈寬為5-40ns，光斑直徑為l_5mm，搭接率為20%_80%。
【文檔編號】C23C10/28GK103695838SQ201310668609
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月11日
【發(fā)明者】崔承云, 崔熙貴, 周建忠, 許曉靜, 張潔 申請人:江蘇大學(xué)