激光熔覆用高熵合金粉末及熔覆層制備方法和用途
【專利摘要】本發明公開了激光熔覆用高熵合金粉末及熔覆層制備方法和用途，由鐵、鎳、鉻、鋁、硅和錳元素粉末組成，所述Fe、Ni、Cr、Al、Si之間為等摩爾比，所述Mn的摩爾比x為0～1。按照各自元素的摩爾比進行配比計算，準確稱量各個組分的質量后將其進行充分混合以均勻，和乙醇混合后，均勻涂覆在基體材料表面，干燥后通過激光熔覆即可獲得熔覆層，其中基體材料為42CrMo鋼。本發明提供了一種高熵合金粉末材料及熔覆層制備方法，獲得成形良好的熔覆層，提高材料硬度和耐磨性。
【專利說明】激光熔覆用高熵合金粉末及熔覆層制備方法和用途

【技術領域】
[0001] 本發明涉及多主元激光熔覆材料及熔覆層制備領域，更加具體地說，具體涉及一 種激光熔覆用高熵合金粉末及熔覆層制備方法和用途。

【背景技術】
[0002] 激光熔覆是近年來快速發展的一種表面改性技術，它通過在基材表面添加熔覆材 料，并利用高能密度的激光束使之與基材表面薄層一起熔凝的方法，從而在基材表面形成 冶金結合的熔覆層。傳統的激光熔覆粉末是以單一主元為基體的合金體系，如鎳基、鐵基、 鈷基自熔性合金粉末，而多主元高熵合金是上世紀九十年代由我國臺灣學者葉均蔚教授提 出的一種新型合金，此種合金設計理念的提出，打破了傳統合金單元素為主的設計思想，開 啟了一個新的合金設計領域。
[0003] 按照Gibbs相規則，當合金由多種主要元素組成時，F=C - P+1，F為自由度，C為組 元數，P為相數。在恒壓下，一個C組元系統中最大的平衡相數P=C+1。因此，高熵合金傾向 于形成簡單固溶體，而不是形成金屬間化合物，使得合金內相的總數遠遠低于Gibbs相規 則所允許的數值。高熵效應是造成這種現象的原因。由于高熵效應抑制了脆性金屬間化合 物的出現，高熵合金凝固后不僅不會形成數目眾多的金屬化合物，反而形成簡單的體心立 方或面心立方相甚至非晶質，所得相數遠遠低于平衡相率所預測的相數。因此，通過適當的 合金配方設計，可獲得高硬度、高加工硬化、耐高溫軟化、耐高溫氧化、耐腐蝕、高電阻率等 優異特性，可應用于耐高溫材料，化工、艦船耐腐蝕性材料，飛機渦輪葉片、高溫爐的耐熱材 料，具有很大的應用前景。
[0004] 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、比熱和膨脹系數等熱物理性能存在較大差異，直接用于激光熔覆時難以獲得表面連續、 成形良好、成分均勻的熔覆層。因此，配制適合于激光熔覆的高熵合金粉末是顯得尤為必 要。


【發明內容】

[0005] 本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供了一種高熵合金粉末材料及熔覆層 制備方法，獲得成形良好的熔覆層，提高材料硬度和耐磨性。
[0006] 本發明的技術目的通過下述技術方案予以實現：
[0007] 激光熔覆用高熵合金粉末，由Fe、Ni、Cr、Al、Si和Μη元素粉末組成，即合金粉末 組成表示為FeNiCrAlSiMnx，X為Μη的摩爾比且其取值范圍為0?1，具體來說，所述Fe、 Ni、Cr、Al、Si之間為等摩爾比，調整金屬Μη的用量，以使其使用摩爾量與Si (或者其余四 種兀素）的摩爾比為0?1，優選0. 3 - 1，更加優選0. 5 -0. 7。
[0008] 在進行制備時，首先按照各自元素的摩爾比進行配比計算，準確稱量各個組分的 質量后將其進行充分混合以均勻即可，例如采用電子稱稱取各種元素的粉末，在研缽中研 磨半小時使其混合均勻。其中選用各個組分均為純度大于等于99%的粉末，粒徑為100- 500目，優選200- 300目。
[0009] 利用本發明的合金粉末應用到激光熔覆焊接中，將激光熔覆用高熵合金粉末和乙 醇混合后，均勻涂覆在基體材料表面，干燥后通過激光熔覆即可獲得熔覆層。
[0010] 其中所述乙醇選用分析純的無水乙醇，在激光熔覆用高熵合金粉末和乙醇混合物 中，按照質量百分數由92?95%的合金粉末與5?8%的乙醇組成。
[0011] 在混合后，形成糊狀或骨狀，以便于在基體材料表面繼續涂覆，經涂覆后在基體材 料表面形成預制層，所述預制層厚度為1 一 2mm。
[0012] 在進行激光熔覆時，選用基體材料為42CrM〇鋼，工藝參數為：激光功率為1550? 1650KW，光斑直徑為0· 8?1. 0mm，掃描速度為150?200mm/min，離焦量為0mm，保護氣體 采用氬氣或氦氣，氣體流量為20?25L/min ;優選激光功率為1580?1620KW，光斑直徑為 0. 8?1. 0mm，掃描速度為180?200mm/min，離焦量為0mm，保護氣體采用氬氣，氣體流量為 22 ?25L/min〇
[0013] 與現有技術相比，本發明具有如下優點：
[0014] (1)本發明合金粉末中，除去基本元素鐵之外充分發揮各個元素的最大性能，Ni主 要用于提高材料潤濕性并改善熔覆層性能，Cr主要通過固溶強化提高熔覆層硬度以及用于 提高熔覆層耐蝕性，A1主要提高熔覆層的抗高溫氧化性能，并通過固溶強化作用和增大晶 界滑移阻力來提高熔覆層硬度。此外，由于鋁表面極易氧化形成致密的氧化膜，在合金中添 加 A1還可以提高熔覆層的耐蝕性，Si和Μη主要用于脫氧。
[0015] (2)本發明提供了一種高熵合金粉末及熔覆層制備方法，該方法工藝簡單，實施簡 便，成本適中，具有應用價值。
[0016] (3)本發明制備了成形良好、硬度較高、耐磨性較好的熔覆層。此外，與其他方法相 t匕，激光熔覆獲得的涂層與基材結合強度更高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 圖1為FeNiCrAlSi熔覆層宏觀形貌。
[0018] 圖2為FeNiCrAlSiMn熔覆層宏觀形貌。
[0019] 圖3為FeNiCrAlSi熔覆層全貌。
[0020] 圖4為FeNiCrAlSiMn熔覆層全貌。
[0021] 圖5為FeNiCrAlSi熔覆層金相組織。
[0022] 圖6為FeNiCrAlSiMn熔覆層金相組織。

【具體實施方式】
[0023] 下面結合具體實施例進一步說明本發明的技術方案。各個金屬元素來源如下表所 示：
[0024]

【權利要求】
1. 激光熔覆用高熵合金粉末，其特征在于，由Fe、Ni、Cr、Al、Si和Μη元素粉末組成，即 FeNiCrAlSiMnx，其中所述？6、附、〇41、3;[之間為等摩爾比，所述111的摩爾比1為0?1。
2. 根據權利要求1所述的激光熔覆用高熵合金粉末，其特征在于，所述Μη的摩爾比X 優選0. 3- 1，更加優選0. 5- 0. 7。
3. 根據權利要求1或者2所述的激光熔覆用高熵合金粉末，其特征在于，選用各個組分 均為純度大于等于99%的粉末，粒徑為100- 500目，優選200- 300目。
4. 一種利用如權利要求1所述的激光熔覆用高熵合金粉末制備熔覆層的方法，其特征 在于，將激光熔覆用高熵合金粉末和乙醇混合后，均勻涂覆在基體材料表面，干燥后通過激 光熔覆即可獲得熔覆層，在激光熔覆用高熵合金粉末和乙醇混合物中，按照質量百分數由 92?95%的合金粉末與5?8%的乙醇組成。
5. 根據權利要求4所述的制備熔覆層的方法，其特征在于，所述乙醇選用分析純的無 水乙醇。
6. 根據權利要求4所述的制備熔覆層的方法，其特征在于，在激光熔覆用高熵合金粉 末和乙醇混合后，形成糊狀或膏狀，以便于在基體材料表面繼續涂覆，經涂覆后在基體材料 表面形成預制層，所述預制層厚度為1 一2mm。
7. 根據權利要求4所述的制備熔覆層的方法，其特征在于，在進行激光熔覆時，選用基 體材料為42CrMo鋼，工藝參數為：激光功率為1550?1650KW，光斑直徑為0. 8?1. 0mm， 掃描速度為150?200mm/min，離焦量為0mm，保護氣體采用氬氣或氦氣，氣體流量為20? 25L/min ;優選激光功率為1580?1620KW，光斑直徑為0. 8?1. 0mm，掃描速度為180? 200mm/min，離焦量為0mm，保護氣體采用氦氣，氣體流量為22?25L/min。
8. 如權利要求1所述的激光熔覆用高熵合金粉末在激光熔覆中的應用，并提高顯微硬 度和耐磨性能。
9. 根據權利要求8所述的激光熔覆用高熵合金粉末在激光熔覆中的應用，其特征在 于，選用基體材料為42CrMo鋼。
【文檔編號】C23C24/10GK104141084SQ201310471106
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2013年10月10日 優先權日:2013年10月10日
【發明者】羅震, 談輝, 段瑞, 顏福裕 申請人:天津大學