一種鐵單元素基合金表面激光高熵合金化用粉料的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明涉及一種在鋼鐵材料一鐵單元素基合金基材表面激光反應(yīng)合成制備高熵 合金涂層材料用粉料的配方及工藝方法。
【背景技術(shù)】：
[0002] 20世紀(jì)90年代，我國臺灣學(xué)者率先突破了傳統(tǒng)合金設(shè)計模式，提出了新的合金設(shè) 計理念，并成功地制備出多主元高熵合金。高熵合金自提出以來引起了國內(nèi)外學(xué)者的普遍 關(guān)注和積極探索。熵是熱力學(xué)上代表混亂度的一個參數(shù)，一個合金體系元素成分越多，混亂 度愈大熵值就愈高。在多主元高熵合金中，其組元數(shù)定義在5~13之間，每種元素都有較 高的原子分數(shù)，但是其含量均不會超過35%。研究發(fā)現(xiàn)，高熵合金因具有很高的熵和原子不 易擴散的特性，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)，其性能表現(xiàn)在諸 多方面優(yōu)于傳統(tǒng)合金。高熵合金擁有高硬度、耐溫性、耐蝕性等優(yōu)異的綜合性能，這是具有 開創(chuàng)性的合金，是一個可合成，可加工，可分析，可應(yīng)用的新合金世界，具有較高的學(xué)術(shù)研究 價值和很強的工業(yè)發(fā)展?jié)摿Α?br>[0003] 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、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 無法滿足生產(chǎn)的使用要求。
[0004] 眾所周知，直到今天人們廣泛使用的金屬材料諸如鐵基合金(包括鋼鐵)、鎳基合 金、鈷基合金、鈦合金、銅合金等，均是以其命名元素為一種主元(一般超過50%)作為基 相（體)，輔以添加適當(dāng)合金元素而形成的，即所謂的單元素基合金（Single-element base alloy，縮寫 SEBA)。
[0005] 本發(fā)明是通過高能束激光輻照，利用單元素基合金基材的主要組成元素 Fe溶入 涂層材料的反應(yīng)合成技術(shù)制備高熵合金涂層，用于解決涂層材料與基體材料熱物理性能不 匹配、涂層開裂及與鐵基合金基材結(jié)合不良等弊端。本發(fā)明提供一種用于鐵單元素基合金 基材表面激光高熵合金化所用的粉料。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0006] 發(fā)明目的：
[0007] 本發(fā)明的目的是米用激光表面合金化方法，在鐵單兀素基合金表面制備出含有基 材主元素的4主元及以上高熵合金化改性層，以形成單元素基合金基材與多主元合金表 層，或低熵合金基材與高熵合金表層相結(jié)合的新型復(fù)合材料，為制備具有較高力學(xué)性能與 高環(huán)境抗力的新型復(fù)合材料提供一種可能的途徑。
[0008] 技術(shù)方案：
[0009] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：
[0010] -種鐵單兀素基合金表面激光高熵合金化用粉料，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鐵之外，是由4種金屬元素組成，分別是Co、Cr、Al和 Cu,每種元素占粉料總摩爾數(shù)的5~35%。
[0011] 一種鐵單元素基合金表面激光高熵合金化用粉料，其特征在于：所述的粉料包括 Fe、Co、Cr、Al和Cu金屬元素組成，其中所確定的單元素基合金基材主元素 Fe的摩爾數(shù)為 其他粉料的〇. 5~1倍，其他4種金屬元素分別是Co、Cr、Al和Cu,其他4種金屬元素每種 元素添加量占粉料總摩爾數(shù)的5~35%。
[0012] 所述合金粉料Fe、Co、Cr、Al和Cu單質(zhì)金屬元素粉末純度不低于99. 9%，且涂層 合金粉料的粒度為35~100微米。
[0013] 所配置的合金粉料需在行星式球磨機中球磨或研缽中研磨混合2~5小時。
[0014] -種制備鐵單元素基合金表面激光高熵合金化涂層的方法，其特征在于：按上述 的比例稱量、混合Co、Cr、Al和Cu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2~8小時，干燥后的合金粉末預(yù)置于鋼基材表面，預(yù)置合金粉 末厚度〇. 5~I. 5mm ;利用固體脈沖激光器進行單道次和多道次激光輻照，具體的工藝參數(shù) 為：電壓380V，電流120~190A，光斑直徑1. 2_，掃描速度3~5mm/s ;采用DLA61300半導(dǎo) 體激光器，激光輸出功率2kW，激光波長980± 10nm，光斑直徑3mm，掃描速度為5~40mm/s， 大面積激光束掃描搭接率為50%，激光合金化過程保護氣氬氣流量為10~20L/min，鐵單元 素基合金基材主兀素鐵在激光福照時烙入涂層參與了表面合金化過程，獲得激光合金化層 厚度為〇· 5~I. 5mm。
[0015] 一種制備鐵單元素基合金表面激光高熵合金化涂層的方法，其特征在于：按上述 的比例稱量、混合Fe、Co、Cr、Al和Cu金屬粉末，混合粉末米用球磨或研磨，然后將混合均 勻的粉料置于真空干燥箱中干燥2~8小時，干燥后的合金粉末預(yù)置于Q235鋼基材表面， 預(yù)置合金粉末厚度〇. 5~I. 5_ ;利用固體脈沖激光器進行單道次和多道次激光輻照，具 體的工藝參數(shù)為：電壓380V，電流120~190A，光斑直徑I. 2mm，掃描速度3~5mm/s ;采用 DLA61300半導(dǎo)體激光器，激光輸出功率2kW，激光波長980 ± 10nm，光斑直徑3mm，掃描速度 為5~40mm/s，大面積激光束掃描搭接率為50%，激光合金化過程保護氣氬氣流量為10~ 20L/min，鐵單元素基合金基材主元素鐵在激光輻照時參與了表面合金化過程，所獲得的激 光合金化層厚度為〇. 5~I. 5mm。
[0016] 球磨或研磨均在室溫下進行，溫度為23土 1°C，相對濕度為40± 10%，混粉研磨時 間2~5小時。
[0017] 按摩爾比0. 5:1:1:1:1制備Feci 5CoCrAlCu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Q235鋼基材表面，預(yù)置合金粉末厚度0. 5~I. 5mm ;利用ZQM-SD型 500W NchYAG固體脈沖激光器進行單道次和多道次輻照，具體的工藝參數(shù)為：電壓380V，電 流120~170A，光斑直徑I. 2mm，掃描速度3~5mm/s，采用DLA61300半導(dǎo)體激光器，激光輸 出功率2kW，激光波長980 ± 10nm，光斑直徑3mm，掃描速度為5~40mm/s，大面積激光束掃 描搭接率為50%，激光合金化過程保護氣氬氣流量為10~20L/min，獲得的激光合金化層厚 度為0· 5~I. 0mm。
[0018] 按等摩爾比制備FeCoCrAlCu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Q235鋼基材表面，預(yù)置合金粉末厚度0. 5~I. 5mm ;利用ZQM-SD型500W NchYAG固 體脈沖激光器進行單道次和多道次輻照，具體的工藝參數(shù)為：電壓380V，電流110~150A， 光斑直徑I. 2mm，掃描速度3~5mm/s，采用DLA61300半導(dǎo)體激光器，激光輸出功率2kW， 激光波長980± 10nm，光斑直徑3mm，掃描速度5~40mm/s，大面積激光束掃描搭接率為 50%，激光合金化過程保護氣氬氣流量為10~20L/min，獲得的激光合金化層厚度為0. 7~ I. 5mm。
[0019] 優(yōu)點及效果：
[0020] 本發(fā)明是一種鐵單元素基合金表面激光高熵合金化用粉料，具有如下優(yōu)點：
[0021] 本發(fā)明的粉料通過激光輻照反應(yīng)合金化技術(shù)作用于Fe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、比熱和膨脹系數(shù)等熱物理性能方面存在較大差異，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程涂層開裂及與基體合金材料結(jié)合不良的弊端。
[0022] 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)所制備的涂層能避 免傳統(tǒng)多元合金凝固過程中大量脆性相和金屬間化合物析出的問題，涂層具有簡單的FCC 或BCC固溶體相結(jié)構(gòu)，從而大大降低多元合金的脆性，具有高硬度、耐磨損、耐高溫、耐腐蝕 等優(yōu)異的物理、化學(xué)性能。
【附圖說明】：
[0023] 圖1為配制的FexC0CrAlCu (x=0,0. 5,1)系列合金粉末X-射線衍射譜圖，其中， (a) FeciCoCrAlCu, (b) Fe0.5CoCrAlCu，（c) FeCoCrAlCu。
[0024] 圖2為球-盤式摩擦磨損試驗機工作原理圖。
[0025] 圖3為Q235鋼基材表面FexCoCrAlCu (x=0,0· 5,1)系列激光合金化層X-射線衍 射譜圖。
[0026] 圖4為Q235鋼基材表面FetlC0CrAlCu激光合金化層截面宏觀形貌圖。
[0027] 圖5為Q235鋼基材表面Fea5CoCrAlCu激光合金化層截面宏觀形貌圖。
[0028] 圖6為Q235鋼基材表面FeCoCrAlCu激光合金化層截面宏觀形貌圖。
[0029] 圖7為FetlC0CrAlCu激光合金化層與Q235鋼基材界面微觀組織形貌圖。
[0030] 圖8為Fetl.5C〇CrAlCu激光合金化層與Q235鋼基材界面微觀組織形貌圖。
[0031] 圖9為Q235鋼基材表面Fea5CoCrAlCu激光合金化層多道次搭接截面宏觀形貌圖。
[0032] 圖10為FeciCoCrAlCu激光合金化層與Q235鋼基材界面附近EDS元素定性成份分 布曲線圖。
[0033] 圖11為FetlC0CrAlCu激光高熵合金化層組織形貌及EDS選區(qū)成份分析位置示意 圖，其中，（a)表層，（b)中部，（c)界面。
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