本發(fā)明涉及新型合金材料技術領域，特別涉及一種高熔點高熵合金及其涂層制備方法。

背景技術：

高熵合金理念的提出，為合金材料的研究開辟了新的途徑。高熵合金一般包含5種或5種以上的組元，且每種元素的原子比例在5％-35％之間。由于高熵效應，含有等原子摩爾比或近原子摩爾比的多組元合金并沒有形成結構復雜的脆性金屬間化合物相，反而能夠形成簡單的固溶體結構，賦予合金優(yōu)良的綜合性能。特別是近年來通過幾種高熔點合金的有機組合設計開發(fā)的高熔點高熵合金在相關高溫性能方面比傳統(tǒng)高溫合金有明顯提高，應用前景廣闊，成為高熵合金研究的熱點分支之一。

CN201510010329.0公開了一種調(diào)控AlCoCrFeNi高熵合金組織的方法，在大氣環(huán)境下用包覆劑對AlCoCrFeNi高熵合金包覆，通過深過冷快速凝固來改變組織形態(tài)，通過獲得實驗過程中AlCoCrFeNi高熵合金大的過冷度以調(diào)控組織形貌。

CN201310161152.5公開了一種含非晶納米晶高熵合金涂層的制備方法，可用于制備綜合性能優(yōu)越的高熵合金涂層及塊體材料。

CN200810063807.4公開了一種高熵合金基復合材料及其制備方法，復合材料的硬度、強度等性能都比復合前顯著提高。

上述材料中都沒有涉及高熔點高熵合金及其制備。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是克服現(xiàn)有技術的不足，提供了一種高熔點高熵合金，采用真空電弧熔煉技術設計研發(fā)了CoCrMoNbTi新型體系的高熔點高熵合金，確定了合金的成分范圍和熔煉工藝，測試了合金的組織結構和相關性能。同時通過激光熔覆技術和熱噴涂技術制備了高熔點高熵合金涂層，確定了涂層制備工藝及相關組織性能，為新型合金的實際應用鋪平了道路。

本發(fā)明一種高熔點高熵合金，組成為CoCrMoNbTi；上述組分的原子摩爾比為：Co:Cr:Mo:Nb:Ti＝(0.8～1.1):(0.8～1.1):(0.8～1.1):(0.8～1.1):(0～1.1)。

進一步的，在制備所述高熔點高熵合金時，所選用的Co、Cr、Mo、Nb和Ti的原材料純度為99％～99.99％。

本發(fā)明還提供了一種上述高熔點高熵合金塊體材料的制備方法，包括如下步驟：

步驟一、Co、Cr、Mo、Nb、Ti原材料表面凈化，去除氧化物；

步驟二、Co、Cr、Mo、Nb、Ti按照摩爾比(0.8～1.1):(0.8～1.1):(0.8～1.1):(0.8～1.1):(0～1.1)稱量配比；

步驟三、將配置好的原料置于真空非自耗鎢極電弧熔煉爐內(nèi)的水冷銅模中，對電弧爐抽真空，電弧爐內(nèi)氣壓為0～6×10^-3Pa；然后充入工業(yè)氬氣到電磁爐內(nèi)，壓力達到0.4～0.6個大氣壓；

步驟四、熔煉過程中，每次合金熔化后，電弧保持時間30-60s，待合金塊冷卻后將其翻轉(zhuǎn)，如此重復3～5次或以上；合金均勻熔煉后，取出即得所述高熔點高熵合金。

本發(fā)明還提供了一種上述高熔點高熵合金激光熔覆涂層的制備方法，包括如下步驟：

步驟一、將所述高熔點高熵合金的粉體在全方位行星式球磨機內(nèi)混合，球磨轉(zhuǎn)速為140-160r/min，時間為14-16h，將混合均勻的粉體置于碳鋼基體上，預置厚度為600-800um；

步驟二、用高功率激光器進行多道熔覆，激光功率為2.3～2.7kW，掃描速度為300-600mm/min，光斑直徑為3～4mm，搭接率為25％～40％，熔覆時用惰性氣體保護。

進一步的，步驟一中的球磨轉(zhuǎn)速為150r/min，合金粉體的預置厚度為700um。

進一步的，步驟二中的惰性氣體為Ar。

本發(fā)明的有益效果為：該高熵合金具有簡單的體心立方結構，同時具備很高的強度和熱穩(wěn)定性，力學性能優(yōu)異，能滿足現(xiàn)代工業(yè)中對材料的更高性能要求，特別是高溫性能的要求；該高熵合金涂層的制備，促進和拓展了高熵合金的應用領域；制備方法簡單、易行、具備廣闊的應用前景。

附圖說明

圖1所示為本發(fā)明實施例1中CoCrMoNbTi高熵合金的X射線衍射圖譜。

圖2所示為實施例1中CoCrMoNbTi高熵合金的掃描電鏡背散射照片。

圖3所示為實施例2中CoCrMoNbTi高熵合金涂層界面的掃描電鏡背散射照片。

具體實施方式

下文將結合具體附圖詳細描述本發(fā)明具體實施例。應當注意的是，下述實施例中描述的技術特征或者技術特征的組合不應當被認為是孤立的，它們可以被相互組合從而達到更好的技術效果。在下述實施例的附圖中，各附圖所出現(xiàn)的相同標號代表相同的特征或者部件，可應用于不同實施例中。

本發(fā)明實施例一種高熔點高熵合金，所述高熔點高熵合金的組成為CoCrMoNbTi；上述組分的原子摩爾比為：(0.8-1.1)：(0.8-1.1)：(0.8-1.1)：(0.8-1.1)：(0-1.1)。

在制備所述高熔點高熵合金時，所選用的Co、Cr、Mo、Nb和Ti的原材料純度均不低于99％，優(yōu)選為99％～99.99％。

一種上述高熔點高熵合金塊體材料的制備方法，包括如下步驟：

步驟一、Co、Cr、Mo、Nb、Ti原材料表面凈化，去除氧化物；

步驟二、Co、Cr、Mo、Nb、Ti按照摩爾比(0.8～1.1):(0.8～1.1):(0.8～1.1):(0.8～1.1):(0～1.1)稱量配比；

步驟三、將配置好的原料置于真空非自耗鎢極電弧熔煉爐內(nèi)的水冷銅模中，對電弧爐抽真空，電弧爐內(nèi)氣壓為0～6×10^-3Pa；然后充入工業(yè)氬氣到電磁爐內(nèi)，壓力達到0.4～0.6個大氣壓；

步驟四、熔煉過程中，每次合金熔化后，電弧保持時間30-60s，待合金塊冷卻后將其翻轉(zhuǎn)，如此重復3～5次或以上；合金均勻熔煉后，取出即得所述高熔點高熵合金。

一種上述高熔點高熵合金激光熔覆涂層的制備方法，包括如下步驟：

步驟一、將所述高熔點高熵合金的粉體在全方位行星式球磨機內(nèi)混合，球磨轉(zhuǎn)速為140-160r/min，時間為14-16h，將混合均勻的粉體置于碳鋼基體上，預置厚度為600-800um；

步驟二、用高功率激光器進行多道熔覆，激光功率為2.3～2.7kW，掃描速度為300-600mm/min，光斑直徑為3～4mm，搭接率為25％～40％，熔覆時用惰性氣體保護。

優(yōu)選的，步驟一中的球磨轉(zhuǎn)速為150r/min，合金粉體的預置厚度為700um；步驟二中的惰性氣體為Ar。

實施例1

本實施例高熔點高熵合金制備過程如下：

原料準備：將Co、Cr、Mo、Nb和Ti塊體原料用機械方法去除氧化皮，按照摩爾比例Co:Cr:Mo:Nb:Ti＝1:1:1:1:1:0.4進行精確稱量配比，在酒精中用超聲波震蕩清洗干凈；

合金熔煉：采用真空非自耗電弧爐熔煉合金；將混合好的原料置于真空電弧熔煉爐內(nèi)的水冷銅模中，對電弧爐抽真空，當真空度達到5×10-3Pa后，充入工業(yè)氬氣直到爐內(nèi)壓力達到半個大氣壓；每次熔煉合金熔化后，電弧保持時間45s；待合金冷卻后再將坩堝內(nèi)的合金翻面繼續(xù)熔煉，如此重復4次，以保證合金混合均勻。

合金的組織結構及性能分析如下：

X射線衍射(XRD)結果：利用線切割將試樣切割成10×10×10mm方塊后，將試樣表面依次用150#、400#、800#、1200#、1500#和2000#的金相砂紙仔細研磨。使用X射線衍射儀對金相樣品進行相組成分析，掃描步長0.01/s，掃描角度2θ的范圍從10°到90°。測試結果如圖1所示。

掃描電鏡(SEM)結果：用線切割將試樣切割成10×10×10mm方塊后，經(jīng)150#、400#、800#、1200#、1500#和2000#的金相砂紙仔細研磨，并且機械拋光后，使用掃描電鏡背散射模式觀察合金組織。測試結果如圖2所示。

組織分析發(fā)現(xiàn)，該合金由簡單的BCC固熔體組成，如圖1所示；合金組織由典型的樹枝晶及枝晶間結構組成，如圖2所示?？梢?，合金組織呈典型的高熵合金組織特點。

顯微硬度：使用401MVD數(shù)顯顯微維氏硬度計測定合金的顯微硬度，硬度測試之前，將合金試樣使用經(jīng)150#、400#、800#、1200#、1500#和2000#的金相砂紙仔細研磨，并進行機械拋光。試驗時加載的載荷為500g，保持15s。每個樣品隨機測試7個點，去除最大和最小的數(shù)據(jù)后，取剩余5個數(shù)據(jù)點的平均值作為該合金的顯微硬度值，如表1所示。

表1實施例1中高熔點高熵合金激光熔覆層的顯微硬度

用MTS 809材料試驗機測試合金的室溫壓縮力學性能，試樣尺寸為φ3mm×6mm，應變速率為1×10^-4s^-1，合金具有很高的斷裂強度，高達1780MPa；在壓縮過程中變現(xiàn)為脆性斷裂。在Gleeble-1500熱模擬試驗機上進行熱壓縮實驗，變形溫度為600～1300℃，應變速率為0.001～0.1s^-1，變形量為30％～60％。以8～12℃/s的速度將試樣加熱到預設溫度后進行壓縮，可得在1200℃高溫壓縮下，合金抗壓強度高達680MPa，且壓縮塑性變形量大于35％，具有優(yōu)異的高溫強度和高溫塑性變形能力。

實施例2

本實施例高熔點高熵合金激光熔覆涂層的制備如下：

原料準備：將Co粉、Cr粉、Mo粉、Nb粉和Ti粉按照實施例1的摩爾比例進成分配比，采用電子天平稱取各種元素的粉末，將配置好的粉末置于全方位行星式球磨機內(nèi)混合，設定轉(zhuǎn)速為150r/min，時間為15h，獲得混合均勻的粉末；

基體處理：用砂紙將45鋼基體表面打磨光滑，然后用無水乙醇和丙酮一次清洗打磨后的基體，最后進行噴砂處理，得到表面粗化的基體；

涂層制備：將步驟一得到的混合粉末置于45剛基體上，得到約700um厚的預置粉末層，采用激光器進行多道熔覆，所用的激光功率為2.3～2.7kW，掃描速度為300～600mm/min，光斑直徑為3～4mm，熔覆時用惰性氣體Ar氣保護。本發(fā)明采用激光熔覆技術制備在粗化的基體表面得到綜合性能優(yōu)良的高熵合金涂層。

高熵合金激光熔覆涂層的組織和性能分析：

X射線衍射(XRD)結果：利用線切割將涂層試樣切割成10×10×10mm方塊后，將涂層表面依次使用150#、400#、800#、1200#、1500#和2000#的金相砂紙仔細研磨。使用X射線衍射儀對金相樣品進行相組成分析，掃描步長0.01/s，掃描角度2θ的范圍從10°到90°。獲得高熵合金物相由簡單的體心立方BCC固溶體組成。

掃描電鏡(SEM)結果：用線切割將試樣切割成10×10×10mm方塊后，經(jīng)150#、400#、800#、1200#、1500#和2000#的金相砂紙仔細研磨，并且機械拋光后，使用掃描電鏡背散射模式觀察涂層界面組織。獲得高熵合金物相組成如圖3所示。

涂層硬度測試：使用401MVD數(shù)顯顯微維氏硬度計測定合金的顯微硬度，硬度測試之前，將合金試樣使用經(jīng)150#、400#、800#、1200#、1500#和2000#的金相砂紙仔細研磨，并進行機械拋光。試驗時加載的載荷為500g，保持15s。每個樣品隨機測試7個點，去除最大和最小的數(shù)據(jù)后，取剩余5個數(shù)據(jù)點的平均值作為該合金的顯微硬度值。

本實施例中利用激光熔覆技術獲得高熵合金涂層，從圖3的掃描圖中可以看出，高熵合金涂層是均勻的樹枝晶組織，涂層與基體之間有明顯的過渡層，結合良好，因涂層熔覆熱傳導方向與熱傳導率不同，涂層不同位置枝晶形貌不同。高熵合計涂層表面硬度如表2所示，激光熔覆后涂層達到了859.46HV_0.5。

表2實施例2中高熔點高熵合金激光熔覆層的顯微硬度

本發(fā)明的有益效果為：該高熵合金具有簡單的體心立方結構，同時具備很高的強度和熱穩(wěn)定性，力學性能優(yōu)異，能滿足現(xiàn)代工業(yè)中對材料的更高性能要求，特別是高溫性能的要求；該高熵合金涂層的制備，促進和拓展了高熵合金的應用領域；制備方法簡單、易行、具備廣闊的應用前景。

本文雖然已經(jīng)給出了本發(fā)明的幾個實施例，但是本領域的技術人員應當理解，在不脫離本發(fā)明精神的情況下，可以對本文的實施例進行改變。上述實施例只是示例性的，不應以本文的實施例作為本發(fā)明權利范圍的限定。