專利名稱：一種噴涂用高熵合金粉末的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及合金材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及ー種適用于熱噴涂、激光熔覆等表面涂層技術(shù)的噴涂用高熵合金粉體。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的合金設(shè)計(jì)理念大多是已單ー主元為基體的合金體系，當(dāng)其它組元種類和含量添加過多，則會(huì)導(dǎo)致多種脆性金屬間化合物生成，降低材料韌性，使材料失去應(yīng)用價(jià)值。2004年，中國臺(tái)灣發(fā)明專利第193729號(hào)披露了ー種新型高熵合金塊體材料，其合金成分范圍為含有5至11種主要金屬元素，且每ー種主要金屬元素的摩爾數(shù)與該合金的總摩爾數(shù)比介于5%至35%之間。多主元高熵合金借助其特有的高熵效應(yīng)，緩慢擴(kuò)散效應(yīng)，納米相強(qiáng)化及超高晶格畸變等特點(diǎn)，可有效避免傳統(tǒng)多元合金脆性相的析出，多形成簡單的FCC和BCC固溶體相結(jié)構(gòu)，從而有利于保持合金的高韌性，并可以賦予材料高的硬度、耐高溫、耐磨損、 耐腐蝕等多種優(yōu)異性能。2007年之后，國內(nèi)陸續(xù)出現(xiàn)了與高熵合金相關(guān)的研究報(bào)道和專利申請(qǐng)。已有的公開專利，公開號(hào)CN 101418394A提出了一種高熵合金與硬質(zhì)陶瓷相混合制備超硬復(fù)合材料技術(shù)，材料硬度可達(dá)到800 2400 HV。公開號(hào)CN 101386928提出了一種含難混溶金屬元素的高熵合金制備方法，解決了高熵合金制備過程中不存在固溶區(qū)的合金元素固溶問題，進(jìn)一步擴(kuò)展了高熵合金的成分選擇范圍。以上專利的研究均顯示高熵合金具有良好的性能和應(yīng)有前景。但是在實(shí)際應(yīng)用中，由于該類合金制備通常需要較高的凝固速度，且成分多數(shù)含有資源稀缺的Ni、Co等貴金屬，制備塊體材料成本高，尺寸小。相對(duì)而言,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。但由于高熵合金粉末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，涂層的成型質(zhì)量和表面連續(xù)性無法滿足生產(chǎn)使用要求。因此，制造適用于熱噴涂、激光熔覆等表面涂層技術(shù)的噴涂用高熵合金粉體是高性能高熵合金涂層制備的急需。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是將非金屬元素Si、B與純金屬組成的高熵合金復(fù)合，提供ー種含非金屬Si、B元素的噴涂用高熵合金粉體材料，該粉體應(yīng)用于熱噴涂和激光熔覆等表面改性技術(shù)時(shí)不僅可保持高熵合金特有的簡單固溶體凝固相結(jié)構(gòu)，而且可獲得良好的涂層涂覆質(zhì)量。為了實(shí)現(xiàn)以上技術(shù)目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的?！N噴涂用高熵合金粉末，該高熵合金粉末成分由5種或5種以上金屬兀素和非金屬Si、B兀素組成；所述的姆種金屬兀素添加含量占高熵合金粉末總摩爾數(shù)的5 35mol%，添加的非金屬Si元素含量占高熵合金總摩爾數(shù)的I 20 mol%，添加的非金屬B元素含量占高熵合金總摩爾數(shù)的I 10 mol%。進(jìn)ー步的，所述組成高熵合金粉末的金屬元素有6種，分別是Ni、Co、Fe、Cr、Al、Cu，其中Ni、Co、Fe、Cr、Al添加含量均為15 mol%, Cu為7. 5 mol% ;所述組成高熵合金粉末的的非金屬Si兀素含量占高熵合金粉末總摩爾數(shù)的15 mol%,非金屬B兀素含量占高熵合金粉末總摩爾數(shù)的2. 5 mol%。本專利提出的一種噴涂用高熵合金粉末可根據(jù)材料使用性能要求，在很寬范圍內(nèi)任意進(jìn)行合金主元配置，涂層性能由粉末的成分所設(shè)計(jì)，并解決了現(xiàn)有高熵合金材料由純金屬配置，難以應(yīng)用于涂層制備的限制。通過5種或5種以上近等摩爾比配制的金屬合金粉末中聯(lián)合添加一定量的Si、B非金屬元素，提高了粉末的自熔性和噴涂效果，可應(yīng)用于熱噴涂、激光熔覆等多種表面涂層技木。



圖I為本發(fā)明CuCoNiCrFe高熵合金單道涂層表面形貌圖。其中(a)為未填加Si、B等元素的CuCoNiCrFe涂層表面形貌圖；(b)為添加少量Si、B等元素后CuCoNiCrFe涂層表面形貌圖。圖2為本發(fā)明NiC0FeCrSiAlCua5高熵合金多道涂層表面形貌圖。圖3為本發(fā)明四種成分高熵合金涂層的相結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式按成分設(shè)計(jì)的要求制備5種以上元素組成的高熵合金粉末，再添加所需分?jǐn)?shù)的Si、B等元素。粉末的制造技術(shù)即可采用純金屬粉末或合金粉末配置，也可先冶煉成合金、再采用機(jī)械法、水霧化和氣霧化法制備成合金粉末。粉體制備后為多角形或球形。采用高功率CO2激光器同步式送粉或預(yù)置式送粉方式，在待處理的基體材料表面進(jìn)行單道次或多道次大面積涂層熔覆，并同時(shí)對(duì)激光熔覆處理區(qū)域進(jìn)行同步的惰性氣體保護(hù)。以下結(jié)合實(shí)施例詳述本發(fā)明，但本發(fā)明不局限于下述實(shí)施例。實(shí)施例I
CuCoNiCrFe高熵合金涂層制備
按摩爾百分比制備CuCoNiCrFe的高熵合金粉末，采用純金屬元素粉末配置，5種主要元素的添加含量均為19. 6%，并添加B: 1%、Si : 1%。所配置的元素經(jīng)均勻混合后在CO2高功率激光器輻照下采用同步送粉方式單道次熔覆在Q235基體材料表面，所用的激光功率為2. O kW，掃描速度為100 mm/min，熔覆時(shí)用惰性氣體保護(hù)。實(shí)施例2
NiCoFeCrAl2高熵合金涂層制備
按摩爾百分比制備NiCoFeCrAl2高熵合金粉末，采用純金屬元素粉末配置，其中Ni、Co、Fe、Cr添加含量均為16%，Al添加含量為32%，B和Si添加含量分別為2%。所配置的元素經(jīng)均勻混合后在CO2高功率激光器輻照下采用同步送粉方式多道次熔覆在Q235基體材料表面，所用的激光功率為3.5 kW，掃描速度為500 mm/min，熔覆時(shí)用惰性氣體保護(hù)。實(shí)施例3
NiCoFeCrSiAlCug 5高熵合金涂層制備按摩爾百分比制備NiCoFeCrSiAlCua5高熵合金粉末，其中Ni、Co、Fe、Cr、Si、Al添加含量均為15%，Cu為7. 5%，并添加B: 2. 5%，先經(jīng)真空電弧爐熔煉成塊體合金后，采用機(jī)械研磨法制備成所需粉末。在CO2高功率激光器輻照下采用同步送粉方式多道次熔覆在Q235基體材料表面，所用的激光功率為5 kW，掃描速度為250 mm/min，道次搭接率30%，熔覆時(shí)用惰性氣體保護(hù)。實(shí)施例4 NiCoFeCrCuTiSiAlMoB0 5高熵合金涂層制備
按摩爾百分比制備NiCoFeCrCuTiSiAlMoB。.5高熵合金，采用純金屬元素配置，其中Ni、Co、Fe、Cr、Cu、Ti、Si、Al、Mo添加含量均為10. 5%，B添加量為5. 5%，采用氣霧法制備成合金粉末。隨后在CO2高功率激光器輻照下采用同步送粉方式多道次熔覆在Q235基體材料表面，所用的激光功率為2 kW，掃描速度為500 mm/min，熔覆時(shí)用惰性氣體保護(hù)。 以下結(jié)合附圖和附表對(duì)本發(fā)明做進(jìn)ー步的說明。圖I是實(shí)施例I添加少量Si、B等元素后CuCoNiCrFe涂層的單道熔覆層表面形貌與未添加Si、B等元素相應(yīng)熔覆層表面形貌對(duì)比圖，可以看出圖1(a)中未填加Si、B等元素的CuCoNiCrFe涂層表面形貌為斷續(xù)狀，不能連續(xù)成型和エ業(yè)化應(yīng)用，而圖I (b)添加少量Si、B等合金元素后，具有連續(xù)、光滑的表面形貌。激光熔覆高熵合金涂層在エ業(yè)上的應(yīng)用更重要的是成功制備多道次涂層，從而滿足基體表面大面積熔覆和改性的需求。圖2是實(shí)施例2激光熔覆NiC0FeCrSiAlCua5高熵合金涂層多道次涂層熔覆后的形貌特征，可以看出涂層經(jīng)多道次激光掃描后可以形成連續(xù)的大面積高熵合金涂層，且涂層仍然保持了良好的表面形貌。本發(fā)明的研究結(jié)果為激光熔覆高熵合金涂層未來的エ業(yè)實(shí)際應(yīng)用提供了較好的エ藝解決方案。圖3是以上四個(gè)實(shí)施例所制備的四種成分高熵合金涂層的相結(jié)構(gòu)X射線衍射分析，可以看出四種成分的涂層激光熔覆快速凝固后均未出現(xiàn)復(fù)雜的金屬間化合物析出相，涂層主要相結(jié)構(gòu)具有高熵合金典型的簡單fee或bcc凝固相結(jié)構(gòu)。其中，CuCoNiCrFe涂層為 fee 結(jié)構(gòu)，NiCoFeCrAl2 和 NiCoFeCrCuTiSiAlMoB。. 5 涂層為 bcc 結(jié)構(gòu)，而 NiCoFeCrSiAlCu。. 5涂層為bcc和fee兩相結(jié)構(gòu)。表I是上述四種成分高熵合金涂層的硬度比較，其中，CuCoNiCrFe涂層硬度為 370 HV，NiCoFeCrAl2 涂層硬度 780 HV, NiCoFeCrSiAlCu。.5 涂層硬度為 950 HV,NiCoFeCrCuTiSiAlMoBa5涂層硬度為1150 HV。而已商業(yè)化鎳基Ni60自熔性合金粉末(Ni60成分為C O. 9,Fe 4.2、Si 4. UCr 16. 3、B: 3,Ni余量)所制備的涂層硬度一般僅為500HV左右?？梢钥闯霾糠指哽睾辖鹜繉泳哂袠O高的硬度值。表I本發(fā)明四種成分高熵合金涂層的顯微硬度
權(quán)利要求
1.一種噴涂用高熵合金粉末，其特征在干，該高熵合金粉末成分由5種或5種以上金屬元素和非金屬Si、B元素組成；所述的每種金屬元素添加含量占高熵合金粉末總摩爾數(shù)的·5 35 mol%,添加的非金屬Si兀素含量占高熵合金粉末總摩爾數(shù)的I 20 mol%,添加的非金屬B元素含量占高熵合金粉末總摩爾數(shù)的I 10 mol%。
2.如權(quán)利要求I所述的ー種噴涂用高熵合金粉末，其特征在于，所述組成高熵合金粉末的金屬元素有6種，分別是Ni、Co、Fe、Cr、Al、Cu，其中Ni、Co、Fe、Cr、Al添加含量均為·15 mol%, Cu為7. 5 mol% ;所述組成高熵合金粉末的的非金屬Si元素含量占高熵合金粉末總摩爾數(shù)的15 mol%，非金屬B元素含量占高熵合金粉末總摩爾數(shù)的2. 5 mol%。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種噴涂用高熵合金粉末，屬于合金材料技術(shù)領(lǐng)域。該高熵合金粉末成分由5種或5種以上金屬元素和非金屬Si、B元素組成；所述的每種金屬元素添加含量占高熵合金粉末總摩爾數(shù)的5～35mol%，添加的非金屬Si元素含量占高熵合金總摩爾數(shù)的1～20mol%，添加的非金屬B元素含量占高熵合金總摩爾數(shù)的1～10mol%。本發(fā)明高熵合金粉末及其所制備的涂層凝固后能避免傳統(tǒng)多元合金凝固后大量脆性相的析出，涂層具有簡單的fcc或bcc固溶體相結(jié)構(gòu)，可大大降低多元合金的脆性，具有高硬度、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕等多種優(yōu)異性能，可應(yīng)用于熱噴涂、激光熔覆等多種表面涂層技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)C23C4/06GK102828139SQ201210365698
公開日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月28日
發(fā)明者張暉, 何宜柱 申請(qǐng)人:安徽工業(yè)大學(xué)