一種銅單元素基合金激光高熵合金化所用粉料及制備工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于表面工程技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種在銅單元素基合金基材表面激光 反應(yīng)合成制備高熵合金化涂層所用粉料的配方及工藝方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 與傳統(tǒng)合金不同，多主元高商合金突破了以1種或2種金屬元素為主元傳統(tǒng)合金 的設(shè)計(jì)理念，其含有5-13種元素，且各種元素以等摩爾比或近等摩爾比組成，每種元素的 原子分?jǐn)?shù)在5% -35%之間，是一種嶄新的合金設(shè)計(jì)理念。高熵合金具有多種有別于傳統(tǒng)合 金的組織和性能特點(diǎn)。根據(jù)傳統(tǒng)冶金學(xué)原理，多主元合金通常極易導(dǎo)致多種金屬間化合物 的形成，且在固溶過程中易出現(xiàn)其他復(fù)雜有序相。然而，高熵合金趨向于形成簡(jiǎn)單固溶體結(jié) 構(gòu)（FCC面心立方、BCC體心立方或其混合結(jié)構(gòu)），這是由于合金高的混合結(jié)構(gòu)熵所致。高熵 合金通常擁有較高的強(qiáng)度、韌性、硬度，優(yōu)異的抗高溫軟化，抗氧化及耐腐蝕性能，這些性能 在石油、化工、冶金、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域具有極大的潛在應(yīng)用價(jià)值。
[0003] 采用熱噴涂和激光熔覆等快速凝固表面改性技術(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(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、熱噴涂等表面改性技術(shù)難以獲得成分均勻的涂層，從而導(dǎo)致涂層的成形質(zhì)量和表 面連續(xù)性難以滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。
[0004] 眾所周知，銅合金具有良好的導(dǎo)熱性能，常用來制備結(jié)晶器等重要的導(dǎo)熱部件，然 而銅對(duì)激光的反射率很高，在激光熔覆、合金化過程表面改性層成形性相對(duì)較差，目前在 銅及其合金上采用激光熔覆或合金化制備高熵合金改性層的研宄國內(nèi)外均鮮有報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明目的：
[0006] 本發(fā)明涉及一種銅單元素基合金激光高熵合金化所用粉料及其制備工藝，其目的 是為了解決銅單元素基合金硬度較低，耐磨性較差、涂層材料與基體材料熱物理性能不匹 配、涂層易于開裂及與銅基合金基材結(jié)合不良等弊端，為制備具有較高力學(xué)性能與高環(huán)境 抗力的新型復(fù)合材料提供一種嶄新的途徑。
[0007] 技術(shù)方案：
[0008] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：
[0009] -種銅單元素基合金激光高商合金化所用粉料，其特征在于：該合金粉料成分是 由四種金屬元素組成，分別是Fe、Co、Cr、A1，按等摩爾比配制合金粉末。
[0010] 所述合金粉料Fe、Co、Cr、Al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45-100微米。
[0011] 所配置的合金粉料需在行星式球磨機(jī)中球磨或研缽中研磨混合2-5小時(shí)，混合粉 料球磨或研磨均在室溫下進(jìn)行，溫度為23 ± I °C，相對(duì)濕度為40 ± 10 %。
[0012] -種銅單元素基合金表面激光高熵合金化涂層的制備方法，其特征在于：按上述 比例稱量，混合Fe、Co、Cr、Al四種金屬粉末，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(shí)，干燥后的合金粉末預(yù)置于銅基材表面，預(yù)置合金粉 末厚度〇. 5-0. 7_ ;利用Nd:YAG固體脈沖激光器進(jìn)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130-210A，光斑直徑I. 2mm，激光束波長1064nm，掃描速度4mm/ s ;激光合金化過程保護(hù)氣氬氣流量為10_20L/min，大面積激光束掃描搭接率50% ;銅單 元素基合金基材主元素銅在激光輻照時(shí)熔入合金化層參與了表面合金化過程，所制備的 FeCoCrAlCu激光高熵合金化層厚度為0. 3-0. 5mm。
[0013] 按摩爾比1: 1: 1:1配制FeCoCrAl合金粉末，將配制的粉料經(jīng)研磨烘干后預(yù)置于銅 基材表面，預(yù)置合金粉末厚度0. 5-0. 7mm ;利用500W NchYAG固體脈沖激光器進(jìn)行單道次和 多道次輻照，具體的工藝參數(shù)為：電壓380V，電流130-190A，光斑直徑I. 2mm，掃描速度4mm/ s，激光合金化過程保護(hù)氣氬氣流量為10_20L/min，銅單元素基合金基材主元素銅在激光輻 照時(shí)熔入涂層參與了表面合金化過程，獲得激光合金化層厚度為0. 3-0. 5mm。
[0014] 激光輻照工藝參數(shù)為：電流150-170A。
[0015] 優(yōu)點(diǎn)及效果：
[0016] 本發(fā)明提供一種銅單元素基合金激光高熵合金化所用粉料及制備工藝，具有以下 優(yōu)點(diǎn)：
[0017] 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Cu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(diǎn)、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，可顯 著提高銅單元素基合金表面的硬度及耐磨損性能。
[0018] 本發(fā)明涉及的合金涂層粉料經(jīng)激光輻照反應(yīng)合金化技術(shù)所制備的高熵合金涂層 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(jiǎn)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】
[0019] 圖1為FeCoCrAl四元合金粉末X-射線衍射譜圖；
[0020] 圖2為在銅基材表面制備的FeCoCrAlCu激光高熵合金化層X-射線衍射譜圖；
[0021] 圖3為銅基材表面FeCoCrAlCu激光高熵合金化層截面宏觀形貌圖；
[0022] 圖4為FeCoCrAlCu激光高熵合金化層與基材界面微觀組織形貌圖；
[0023] 圖5為FeCoCrAlCu激光高熵合金化層與銅基材界面附近沿A1A2線EDS元素定性 成份分布曲線；
[0024] 圖6為FeCoCrAlCu激光高熵合金化層各區(qū)域組織形貌及EDS選區(qū)成份分析位置 示意圖。其中，圖6(a)表層，圖6(b)中部，圖6(c)界面；
[0025] 圖7為FeCoCrAlCu激光高熵合金化層截面硬度分布曲線圖；
[0026] 圖8為FeCoCrAlCu激光高熵合金化層與基材界面附近區(qū)域顯微硬度壓痕形貌 圖；
[0027] 圖9為FeCoCrAlCu激光高熵合金化層表面及基材納米硬度深度與載荷關(guān)系曲 線；
[0028] 圖10為采用較低能量密度（I = 130A)激光輻照條件下，銅基材表面FeCoCrAl/Cu 合金涂層宏觀形貌圖；
[0029] 圖11為采用較低能量密度（I = 130A)激光輻照條件下，F(xiàn)eCoCrAl/Cu合金涂層 與基材界面組織形貌圖；
[0030] 圖12為采用不同能量密度（I = 130A-210A)激光輻照條件下，F(xiàn)eCoCrAl/Cu合金 改性層宏觀形貌圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明：
[0032] 本發(fā)明涉及一種用于銅單元素基合金基材表面激光高熵合金化所用的粉料及制 備工藝。通過高能束激光輻照，利用單元素基合金基材主要組成元素 Cu熔入涂層材料，通 過反應(yīng)合成技術(shù)制備含基材主元的高熵合金涂層，用于解決涂層材料與基體材料熱物理性 能不匹配、涂層易于開裂及與銅基合金基材結(jié)合不良等弊端。
[0033] 本發(fā)明采用激光表面合金化方法，在銅單元素基合金表面制備含基材主元的五元 及以上高摘合金化改性層，以形成單元素基合金基材與多主元合金表層，或低摘合金基材 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) 合材料提供一種嶄新的途徑。
[0034] 本發(fā)明涉及一種銅單元素基合金表面激光高熵合金化所用粉料及制備工藝，即一 種在銅單元素基合金表面通過激光輻照反應(yīng)合成制備FeCoCrAlCu高熵合金化涂層材料所 用的粉料，其特征在于：該合金粉料是由Fe、Co、Cr、Al四種金屬元素按等摩爾比組成。
[0035] 所述的粉料由Fe、Co、Cr和Al四種金屬元素組成，各元素粉末所占摩爾比為 1: 1: 1:1，其中所用各種金屬單質(zhì)粉末純度不低于99. 9%，合金粉料的粒度為45-100微米。
[0036] 所配置的合金粉料需在行星式球磨機(jī)中球磨或研缽中研磨混合2-5小時(shí)，混合粉 料球磨或研磨均在室溫下進(jìn)行，溫度為23 ± I °C，相對(duì)濕度為40 ± 10 %。而后將混合均勻的 粉料置于真空干燥箱中干燥2-8小時(shí)。圖1為FeCoCrAl四元混合粉末X-射線衍射譜圖。
[0037] 利用數(shù)控線切割機(jī)床將銅基體材料加工成所需用的樣品尺寸，基材待激光處理表 面依次打磨至600號(hào)SiC金相砂紙，而后噴砂，并用酒精或丙酮超聲波清洗干燥備用。
[0038] 將干燥后的FeCoCrAl合金粉末預(yù)置于銅基材表面，預(yù)置合金粉末厚度為 0. 5-0. 7mm。利用Nd:YAG固體脈沖激光器進(jìn)行單道次和多道次的激光輻照合金化處理，具 體的工藝參數(shù)為：電壓380V，電流130-210A，光斑直徑I. 2mm，掃描速度4mm/s，激光合金化 過程保護(hù)氣氬氣流量為10_20L/min，單元素基合金基材主元素銅在激光輻照時(shí)熔入合金化 層（即涂層）參與了表面合金化過程，所獲得激光合金化層厚度為〇. 3-0. 5mm。
[0039] 以下結(jié)合實(shí)施例詳述本發(fā)明，但本發(fā)明保護(hù)范圍不局限于下述實(shí)施例。
[0040] 實(shí)施例1
[0041] FeCoCrAl四元合金粉末的制備。
[0042] 按等摩爾比1: 1: 1:1配置FeCoCrAl四元合金粉末，將配置的合金粉料需置于星式 球磨機(jī)中球磨或研缽中研磨混合2-5小時(shí)?；旌戏哿锨蚰セ蜓心ゾ谑覝叵逻M(jìn)行，溫度為 23 ± I °C，相對(duì)濕度為40 ± 10 %。然后將混合均勻的粉料置于真空干燥箱中干燥2-8小時(shí)備 用，球磨過程中合金粉末未發(fā)生反應(yīng)。
[0043] 實(shí)施例2
[0044] 銅基材表面FeCoCrAlCu激光高熵合金化層的制備。
[0045] 按等摩爾比1: 1: 1:1制備FeCoCrAl合金粉末，將配制的粉料經(jīng)研磨烘干后預(yù)置于 銅基材表面，預(yù)置合金粉末厚度〇. 5-0. 7_。利用NchYAG固體脈沖激光器進(jìn)