FeCoCrAlCuVx激光合金化用粉料及制備工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明適用于材料表面工程領(lǐng)域，具體涉及一種用于鎳單元素基合金表面激光反 應(yīng)合成制備FeCoCrAlCuNiVx高熵合金化涂層所用粉料及制備工藝。
【背景技術(shù)】：
[0002] 傳統(tǒng)的合金設(shè)計(jì)理念認(rèn)為合金系統(tǒng)中主元數(shù)越多，則越易形成金屬間化合物等復(fù) 雜相，不僅惡化合金的性能而且使合金的分析變得困難。20世紀(jì)90年代，臺(tái)灣學(xué)者葉均 蔚率先突破了傳統(tǒng)合金設(shè)計(jì)模式，提出了新的合金設(shè)計(jì)理念，并成功地制備出多主元高熵 合金。在多主元高熵合金體系中，其主元數(shù)定義在5?13之間，且每種元素的原子分?jǐn)?shù)占 5%?35%。研宄發(fā)現(xiàn)，高熵合金因具有很高的熵值和原子不易擴(kuò)散的特性，容易獲得熱穩(wěn) 定性高的固溶體和納米結(jié)構(gòu)，甚至非晶結(jié)構(gòu)。高熵合金性能在諸多方面表現(xiàn)優(yōu)于傳統(tǒng)合金， 如擁有高硬度、耐高溫性、耐磨性和耐蝕性等優(yōu)異綜合性能，從而使得其在工程材料領(lǐng)域， 特別是高溫合金領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。
[0003] 迄今為止，大多數(shù)高熵合金均是采用電弧熔鑄法來(lái)制備，但由于具有簡(jiǎn)單固溶體 結(jié)構(gòu)的高熵合金形成時(shí)需要高的冷卻速率，且合金中含有較多價(jià)格昂貴的貴金屬元素，導(dǎo) 致大塊尚摘合金的制備成本$父尚。因此，人們開(kāi)始關(guān)注在廉價(jià)單兀素基合金表面上制備尚 性能高熵合金涂層。采用熱噴涂和激光熔覆等快速凝固表面技術(shù)在低成本金屬材料表面涂 覆高性能高熵合金涂層具有良好的應(yīng)用前景。但由于高熵合金粉料中不同種類的金屬元素 之間及其與基體材料之間密度、熔點(diǎn)、比熱和膨脹系數(shù)等熱物理性能存在較大差異，直接用 于激光熔覆、熱噴涂等表面技術(shù)難以得到成分均勻的涂層，從而導(dǎo)致涂層的成型質(zhì)量和表 面連續(xù)性無(wú)法滿足生產(chǎn)的使用要求。采用磁控濺射法和電化學(xué)法也可以制備出高熵合金涂 層，但利用這些方法制備的涂層太薄，難以滿足工件服役條件下的力學(xué)性能要求。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0004] 發(fā)明目的：
[0005] 本發(fā)明目的是采用激光表面合金化方法，在鎳單元素基合金表面制備含基材主元 素的6主元（6主元及以上）高熵合金化改性層，該合金化層與基體材料形成良好的冶金結(jié) 合，涂層的相結(jié)構(gòu)為高熵合金特有的固溶體結(jié)構(gòu)，并且合金化層中各主元摩爾分?jǐn)?shù)在5%? 35%之間，符合名義上高熵合金范疇，具有高硬度、良好高溫抗氧化性能等多種優(yōu)異綜合性 能，為制備具有較高力學(xué)性能與高環(huán)境抗力的新型復(fù)合材料涂層提供一種可能的途徑。
[0006] 技術(shù)方案：
[0007] -種激光反應(yīng)合成制備FeCoCrAlCuNiVx高j：商合金化涂層所用粉料，其特征在于： 該合金粉料成分中除激光合金化所選用的基材主元素鎳之外，所述的粉料包括Fe、Co、Cr、 Al、Cu和V金屬元素，其中Fe、Co、Cr、Al、Cu和V的摩爾比為x的取值范圍 為0?1〇
[0008] 所述組成合金粉料的Fe、Co、Cr、Al、Cu和V純金屬粉末純度不低于99. 9%，且涂 層合金粉料的粒度為45?100 μ m。
[0009] 所配置的合金粉料需在行星式球磨機(jī)中球磨或研缽中研磨混合2?5h。
[0010] 一種用上述粉料在Ni基合金表面激光反應(yīng)合成制備FeCoCrAlCuNiVx高熵合金化 涂層的方法，其特征在于：按權(quán)利要求1的比例稱量、混合Fe、Co、Cr、Al、Cu和V金屬粉末， 混合粉末采用球磨或研磨，然后將混合均勻的粉料置于真空干燥箱中干燥2?8h，干燥后 的合金粉末預(yù)置于Ni201基材表面，預(yù)置合金粉末厚度0. 5?I. 5mm ;采用CO2激光加工系 統(tǒng)，激光輸出功率2kW，光斑直徑3mm，掃描速度為3?7mm/s，大面積激光束掃描搭接率為 50 %，激光合金化過(guò)程保護(hù)氣Ar流量為10?20L/min，鎳單元素基合金基材主元素鎳在激 光輻照過(guò)程中參與表面合金化過(guò)程，從而反應(yīng)合成制備6或7主元高熵合金化涂層，獲得激 光合金化層厚度為0. 4?I. 5mm。
[0011] 混合粉料球磨或研磨均在室溫條件下進(jìn)行，室溫為23 ± I °C，相對(duì)濕度40 ± 10 %， 粉末研磨時(shí)間2?5h。
[0012] 按摩爾比1:1:1:1:1:0制備FeCoCrAlCuV0^金粉末，采用純金屬粉末配制的粉料 經(jīng)研磨烘干后預(yù)置于Ni201基材表面，預(yù)置合金粉末厚度0. 5?I. 5mm ;采用0)2激光加工 系統(tǒng)，激光輸出功率2kW，光斑直徑3mm，掃描速度為3?7mm/s，大面積激光束掃描搭接率為 50 %，激光合金化過(guò)程保護(hù)氣Ar流量為10?20L/min，鎳單元素基合金基材主元素鎳在激 光輻照過(guò)程中參與表面合金化過(guò)程，從而反應(yīng)合成制備6主元高熵合金化涂層，獲得激光 合金化層厚度為〇. 4?I. 5mm。
[0013] 按摩爾比1:1:1:1:1:0. 2制備？6(：〇(^^1(：1^(|.2合金粉末，采用純金屬粉末配制的 粉料經(jīng)研磨烘干后預(yù)置于Ni201基材表面，預(yù)置合金粉末厚度0. 5?I. 5mm ;采用CO2激光 加工系統(tǒng)，激光輸出功率2kW，光斑直徑3mm，掃描速度為3?7mm/s，大面積激光束掃描搭接 率為50 %，激光合金化過(guò)程保護(hù)氣Ar流量為10?20L/min，鎳單元素基合金基材主元素鎳 在激光輻照過(guò)程中參與表面合金化過(guò)程，從而反應(yīng)合成制備7主元高熵合金化涂層，獲得 激光合金化層厚度為〇. 4?I. 5mm。
[0014] 按摩爾比1:1:1:1:1:0. 5制備FeCoCrAlCuVa5^金粉末，采用純金屬粉末配制的 粉料經(jīng)研磨烘干后預(yù)置于Ni201基材表面，預(yù)置合金粉末厚度0. 5?I. 5mm ;采用CO2激光 加工系統(tǒng)，激光輸出功率2kW，光斑直徑3mm，掃描速度為3?7mm/s，大面積激光束掃描搭接 率為50 %，激光合金化過(guò)程保護(hù)氣Ar流量為10?20L/min，鎳單元素基合金基材主元素鎳 在激光輻照過(guò)程中參與表面合金化過(guò)程，從而反應(yīng)合成制備7主元高熵合金化涂層，獲得 激光合金化層厚度為〇. 4?I. 5mm。
[0015] 按摩爾比1:1:1:1:1:0. 8制備FeCoCrAlCuVag^金粉末，采用純金屬粉末配制的 粉料經(jīng)研磨烘干后預(yù)置于Ni201基材表面，預(yù)置合金粉末厚度0. 5?I. 5mm ;采用CO2激光 加工系統(tǒng)，激光輸出功率2kW，光斑直徑3mm，掃描速度為3?7mm/s，大面積激光束掃描搭接 率為50 %，激光合金化過(guò)程保護(hù)氣Ar流量為10?20L/min，鎳單元素基合金基材主元素鎳 在激光輻照過(guò)程中參與表面合金化過(guò)程，從而反應(yīng)合成制備7主元高熵合金化涂層，獲得 激光合金化層厚度為〇. 4?I. 5mm。
[0016] 按摩爾比1:1:1:1:1:1制備FeCoCrAlCuV合金粉末，采用純金屬粉末配制的粉料 經(jīng)研磨烘干后預(yù)置于Ni201基材表面，預(yù)置合金粉末厚度0. 5?I. 5mm ;采用0)2激光加工 系統(tǒng)，激光輸出功率2kW，光斑直徑3mm，掃描速度為3?7mm/s，大面積激光束掃描搭接率為 50 %，激光合金化過(guò)程保護(hù)氣Ar流量為10?20L/min，鎳單元素基合金基材主元素鎳在激 光輻照過(guò)程中參與表面合金化過(guò)程，從而反應(yīng)合成制備7主元高熵合金化涂層，獲得激光 合金化層厚度為〇. 4?I. 5mm。
[0017] 優(yōu)點(diǎn)及效果：
[0018] 本發(fā)明涉及一種鎳單元素基合金表面激光反應(yīng)合成制備FeCoCrAlCuNiVx高j：商合 金化涂層所用粉料及制備工藝，具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0019] 本發(fā)明的粉料通過(guò)激光輻照反應(yīng)合金化技術(shù)作用于鎳單元素基合金表面，解決了 現(xiàn)階段制備的高熵合金涂層粉末中不同種類的金屬元素與其基體材料之間在密度、熔點(diǎn)、 比熱和膨脹系數(shù)等熱物理性能方面存在較大的差異，從而造成涂層材料與基體材料熱物理 性能不匹配，激光輻照快速熔凝過(guò)程涂層開(kāi)裂及與基體合金材料結(jié)合不良的弊端，同時(shí)可 大大降低生產(chǎn)成本。
[0020] 本發(fā)明涉及的高熵合金涂層粉料經(jīng)激光輻照反應(yīng)合金化技術(shù)所制備的涂層由于 高混合熵作用，涂層的相結(jié)構(gòu)為高熵合金特有的固溶體結(jié)構(gòu)，避免傳統(tǒng)多元合金凝固過(guò)程 中大量脆性相和金屬間化合物的析出，從而顯著降低多元合金的脆性，并且合金化層中各 主元摩爾分?jǐn)?shù)在5%?35%之間，符合名義上高熵合金范疇，具有優(yōu)異的表面物理、化學(xué)性 能。
【附圖說(shuō)明】
[0021] 圖1為本發(fā)明激光反應(yīng)合成制備高熵合金化涂層方法的工序步驟圖。
[0022] 圖 2 為 FeCoCrAlCuVx/Ni201 (X = 0, 0· 2, 0· 5, 0· 8, 1)激光高熵合金化層 XRD 譜；
[0023] 圖3為FeC〇CrAlCuVQ/Ni201激光高熵合金化層截面微觀組織形貌圖，其中圖3 (a) 表面，（b)中部，（c)界面；
[0024] 圖4為FeC〇CrAlCuVQ.2/Ni201激光高熵合金化層截面微觀組織形貌圖，其中圖 4(a)表面，（b)中部，（c)界面；
[0025] 圖5為