阅读说明：本技术 一种高熵合金粉末及激光熔覆层制备方法和应用 (High-entropy alloy powder and preparation method and application of laser cladding layer ) 是由 胡绳荪 崔妍 申俊琦 于 2018-08-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种高熵合金粉末及激光熔覆层制备方法和应用,由Fe、Co、Cr、Mn、Ni和Al元素粉末等摩尔比组成,利用合金粉末应用到激光熔覆焊接中,将高熵合金粉末和乙醇混合后,均匀涂覆在基体材料表面,干燥后通过激光熔覆即可获得熔覆层。在进行激光熔覆时,选用基体材料为H13钢,激光功率为1300～1600KW,光斑直径为2～4mm,扫描速度5～7mm/s,离焦量为10mm,保护气体流量为20～25L/min。由于激光熔覆高熵合金涂层的混乱度较大,在高温时变得更大,高的混合熵效应显著降低了元素间的扩散和重新分配速率,从而涂层中的相结构稳定,高温硬度基本保持不变,具有良好的抗高温软化性。(The invention discloses a high-entropy alloy powder and a preparation method and application of a laser cladding layer. When laser cladding is carried out, H13 steel is selected as a base material, the laser power is 1300-1600 KW, the diameter of a light spot is 2-4 mm, the scanning speed is 5-7 mm/s, the defocusing amount is 10mm, and the flow of protective gas is 20-25L/min. The laser cladding high-entropy alloy coating has larger chaos and becomes larger at high temperature, and the high mixed entropy effect obviously reduces the diffusion and redistribution rate among elements, so that the phase structure in the coating is stable, the high-temperature hardness is basically kept unchanged, and the high-temperature softening resistance is good.)

一种高熵合金粉末及激光熔覆层制备方法和应用

技术领域

本发明涉及激光表面改性领域，更具体的说，一种激光熔覆用高熵合金粉末及熔敷层制备领域。

背景技术

目前，对高熵合金广泛的定义是指由5～13种主要元素所组成的合金，并且每种元素的含量在5％～30％之间。多组元高熵合金因为其独特的相结构，全新的设计理念和优异的合金性能，现在已经成为金属材料领域新的研究热点，并与橡胶金属和大块金属玻璃共同被称为合金化理论领域近年来的三大突破。

高熵合金不同原子间形成混乱固溶体的扩散激活能比较高，会严重阻碍扩散过程，在加热情况下，高熵合金将依然能够保持其结构的稳定性。而现在材料领域高温性能材料的需求空间较大，高熵合金凭借其热力学稳定性的优势将会是一种潜在的有力选择。

目前，对高熵合金的研究主要集中在真空电弧熔铸块体材料上，这导致其制备尺寸受到了很大限制；且制备所使用的金属大都较昂贵，致使生产大型零件的成本太高。而制备高熵合金涂层既能避免上述弊端，又可以获得优异的使用性能。激光熔覆具有高的加热和冷却速率，对基体的热影响小，熔覆层晶粒细小且在基体中分布均匀，涂层与基体为冶金结合，结合强度高，涂层厚度最高可达到几毫米。

H13(4Cr5MoSiV1)是广泛使用的热作模具钢，它具有较高的热强度和硬度、高的耐磨性和韧性，以及较好的耐热疲劳性能，广泛应用于制造各种锻模、热挤压模，以及镁、铝及其合金的压铸模。H13压铸模具在使用过程中承受着磨损、热疲劳、冲蚀、应力腐蚀、表面热焊合等物理、化学作用，因而其使用寿命较低。众所周知，模具的失效首先是从表面开始的，因此改善表面组织及性能可有效提高模具的使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种高熵合金粉末材料及熔覆层制备方法和应用，获得成形良好的熔覆层，提高材料硬度和抗高温氧化性，通过激光熔覆工艺在H13钢表面制备一种高熵合金熔覆层，有效提高H13刚的硬度与抗高温氧化性能，从而提高了其使用寿命，减少材料成本消耗。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

高熵合金粉末，由Fe、Co、Cr、Mn、Ni和Al元素粉末组成，即合金粉末组成表示为FeCoCrNiMnAl，具体来说，所述Fe、Co、Cr、Mn、Ni和Al之间为等摩尔比，即六种金属元素使用的摩尔数一致。

在进行制备时，首先按照各自元素的摩尔比进行配比计算，准确称量各个组分的质量后将其进行充分混合以均匀即可，例如采用电子称称取各种元素的粉末，在研钵中研磨使其混合均匀，如研磨时间为0.5—1小时。其中选用各个组分均为纯度大于等于99％的粉末，粒径为200—300目。

利用本发明的合金粉末应用到激光熔覆焊接中，将高熵合金粉末和乙醇混合后，均匀涂覆在基体材料表面，干燥后通过激光熔覆即可获得熔覆层。

其中所述乙醇选用分析纯的无水乙醇，在六元高熵合金粉末和乙醇混合物中，按照质量百分数由92～95％的合金粉末与5～8％的乙醇组成。

在混合后，形成糊状或膏状，以便于在基体材料表面继续涂覆，经涂覆后在基体材料表面形成预制层，所述预制层厚度为0.8—1.2mm。

其中基体材料去氧化皮、油渍。

在进行激光熔覆时，选用基体材料为H13钢，工艺参数为：激光功率为1300～1600KW，光斑直径为2.0～4.0mm，扫描速度为5～7mm/s，离焦量为6—10mm，保护气体采用氩气、氮气或氦气，气体流量为20～25L/min。

工艺参数为：激光功率为1400～1500KW，光斑直径为2.0～4.0mm，扫描速度为6～7mm/s，离焦量为8—10mm，保护气体采用氩气、氮气或氦气，气体流量为20～25L/min。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明合金粉末中，Cr主要通过固溶强化提高熔覆层硬度以及用于提高熔覆层耐蚀性，Al元素在这个体系中起到了固溶强化的作用。由于其原子半径比较大，因此固溶强化效果好。随着Al含量的增加，所引起的晶格畸变加剧。此外，Al、Cr元素，生成保护性的Al₂O₃、Cr₂O₃，可以阻止基体进一步氧化，降低合金氧化速率。另外，由于激光熔覆高熵合金涂层的混乱度较大，在高温时变得更大，高的混合熵效应显著降低了元素间的扩散和重新分配速率，从而涂层中的相结构稳定，高温硬度基本保持不变，具有良好的抗高温软化性。

(2)本发明提供了一种由金属元素组成的高熵合金粉末，提高了粉末的自熔性。

(3)本发明制备了成形良好、硬度较高、抗氧化性较好的熔覆层，性能较基材有了明显改善。

附图说明

图1为本发明制备的FeCoCrNiMnAl的熔覆层宏观形貌照片(表面)。

图2为本发明制备的FeCoCrNiMnAl的熔覆层全貌形貌照片(横截面)。

图3为本发明制备的FeCoCrNiMnAl的熔覆层金相组织形貌照片。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案：

基体材料选用H13钢(购于天津壹众钢铁有限公司)，采用机械打磨去除氧化物，采用丙酮去除油污，其化学成分如下表(质量分数％)所示(成分符合国家标注)：

按照下述方法进行实施：

1.按照摩尔比进行FeCoCrNiMnAl高熵合金粉末配比计算，采用电子称称取各种元素的粉末，在研钵中研磨半小时使其混合均匀。

2.将92～95％的激光熔覆粉末与5～8％的乙醇混合成糊状或膏状后，涂覆在基体材料表面，预制层厚度为1—1.2mm，风干后通过激光熔覆即可获得熔覆层。

3.选择激光器采用JK2003SM型Nd：YAG进行激光熔覆。

4.金相组织观察设备采用OLYMPUS—GX51金相显微镜，生产商：日本OLYMPUS(奥林巴斯)公司。

实施案例1

1.按照摩尔比进行FeCoCrNiMnAl高熵合金粉末配比计算：Fe为16.67mol％，Co为16.67mol％，Cr为16.67mol％，Ni为16.67mol％，Mn为16.66mol％，Al为16.66mol％，总摩尔比为100％，并采用电子称称取各种元素的粉末。

2.倒入研钵，在研钵中研磨半小时使其混合均匀。

3.将配制好的激光熔覆粉末，92％与8％乙醇混合成糊状或膏状后，涂覆在H13钢表面，预置层厚度为1mm，风干后进行激光熔覆。

4.激光熔覆工艺参数为：激光功率为1550KW，光斑直径为2.5mm，扫描速度为5mm/s，离焦量为10mm，保护气体采用氩气，气体流量为25L/min。

5.激光熔覆后采用王水进行腐蚀，获得了熔覆层的金相照片。

采用自动转塔数显硬度计测量了熔覆层的显微硬度，实验结果如下表所示，激光熔覆后平均硬度达到了655HV，比母材显著提高。

6.将制备的高熵合金材料线切割成10mm×10mm×3mm的试样，对试样进行研磨，然后用600#金相砂纸打磨，乙醇清洗备用。断续恒温氧化实验依据HB5258-83《钢及高CN104561718 A说明书6 5/7页7温合金抗氧化性的测定方法》进行；将高温氧化实验前称出各样品的重量，之后将样品放入预热好的高温氧化炉(KBF 1100)内，在700℃下静态氧化200小时后关闭电源；待氧化炉冷却至室温后拿出样品，置于精密电子天平(XP2001S，感量0.1mg)称重样品高温氧化后的重量，测定样品氧化后质量增加3.15×10^-3mg/mm²,明显比提高了基体(150×10^-3mg/mm²)的高温抗氧化性。

实施案例2

1.将配制好的激光熔覆粉末，95％与5％乙醇混合成糊状或膏状后，涂覆在H13钢表面，预置层厚度为1.2mm，风干后进行激光熔覆。

2.激光熔覆工艺参数为：激光功率为1600KW，光斑直径为3.0mm，扫描速度为6mm/s，离焦量为10mm，保护气体采用氦气，气体流量为20L/min。

3.采用相同进行性能测试，结果如下表所示。

实施案例3

1.将配制好的激光熔覆粉末，94％与6％乙醇混合成糊状或膏状后，涂覆在H13钢表面，预置层厚度为0.8mm，风干后进行激光熔覆。

2.激光熔覆工艺参数为：激光功率为1400KW，光斑直径为3.5mm，扫描速度为7mm/s，离焦量为10mm，保护气体采用氩气，气体流量为22L/min。

3.采用相同进行性能测试，结果如下表所示。

实施案例4

1.将配制好的激光熔覆粉末，93％与7％乙醇混合成糊状或膏状后，涂覆在42CrMo钢表面，预置层厚度为1mm，风干后进行激光熔覆。

2.激光熔覆工艺参数为：激光功率为1300KW，光斑直径为4mm，扫描速度为5mm/min，离焦量为10mm，保护气体采用氦气，气体流量为20L/min

3.采用相同进行性能测试，结果如下表所示。

如附图1—3所示，本发明制备的FeCoCrNiMnAl的熔覆层具有良好表面形貌和横截面形貌，激光熔覆层晶粒尺寸小于基体晶粒尺寸，有效提高熔覆层的硬度，熔覆层沿着激光熔覆反方向生长树枝晶可以有效提熔敷层的高温抗氧化性。

根据本发明内容进行制备工艺参数的调整，均可实现FeCoCrNiMnAl熔覆层的制备，经测试表现出与实施例基本一致的性能，即本发明的FeCoCrNiMnAl高熵合金粉末在提升H13钢硬度和高温抗氧化性能中的应用(硬度可达650—670HV，700℃氧化增重可达3—3.2×10^-3mg/mm²)。以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。