一種鐵基合金表面制備高熵合金基復(fù)合材料改性層用粉料的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明提供了一種在鐵單兀素基合金表面激光合金化制備高熵合金基復(fù)合材料 改性層所用的粉料及高熵合金基復(fù)合材料改性層的制備工藝方法。
【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(jì)模式，提出了新的合金設(shè) 計(jì)理念，并成功地制備出多主元高熵合金，又叫高混亂度合金、多主元高功能合金等。近年 來，國內(nèi)外研究者對高熵合金已經(jīng)有了一定的研究，而對傳統(tǒng)復(fù)合材料組織性能及復(fù)合增 強(qiáng)體形成的研究更是取得了眾多長足的進(jìn)展，但對高熵合金基復(fù)合材料研究及制備方法的 文獻(xiàn)報(bào)道很少，對于制備高熵合金基復(fù)合材料改性層的介紹更是鮮有報(bào)道。
[0003] 根據(jù)以往對高熵合金的研究，高熵合金基復(fù)合材料的硬度與形成合金的元素及增 強(qiáng)相的種類及含量有關(guān)，可以在很大范圍內(nèi)變化。與傳統(tǒng)合金相比如果高熵合金的成分設(shè) 計(jì)合理，其合金的硬度會有很大程度的提高。對于高熵合金基復(fù)合材料，在加入增強(qiáng)相之 后，其硬度及其他性能也將在原有高熵合金的基礎(chǔ)上有所改善。
[0004] 相對而言，采用激光合金化等快速熔凝表面技術(shù)在低成本金屬材料表面制備高性 能高熵合金改性層具有良好的應(yīng)用前景。但由于高熵合金粉末成分組成較為復(fù)雜，其中不 同種類的金屬元素之間，各種金屬元素與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，直接用于激光熔覆、合金化、熱噴涂等表面強(qiáng)化技術(shù)難以得到 成分均勻的改性層，改性層的成型質(zhì)量和表面連續(xù)性無法滿足生產(chǎn)使用要求。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0005] 發(fā)明目的：
[0006] 本發(fā)明是通過激光輻照，利用鐵單元素基合金基材的主要組成元素鐵與涂層材料 反應(yīng)合成制備高熵合金基復(fù)合材料改性層，用于解決改性層材料與基體材料熱物理性能不 匹配，改性層開裂及與基體材料結(jié)合不良等問題，以及在高熵合金涂層材料的基礎(chǔ)上制備 出性能優(yōu)異的高熵合金基復(fù)合材料改性層，為此發(fā)明一種采用激光表面合金化技術(shù)制備高 熵合金基復(fù)合材料改性層所用的粉料及工藝方法。
[0007] 本發(fā)明的目的是采用激光快速熔化凝固表面合金化方法，設(shè)計(jì)含有增強(qiáng)相的高熵 合金基復(fù)合材料粉料，在鐵單元素基合金表面制備出含有基材主元鐵的多主元(五主元及 以上）高熵合金基復(fù)合材料改性層，以形成單主元基合金基材與多主元基合金表層以及多 主元基高熵合金與陶瓷增強(qiáng)相結(jié)合的新型復(fù)合材料，改性層與鐵單元素基合金基材形成了 良好的冶金結(jié)合，這樣有望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(shí)現(xiàn)的：
[0010] 一種鐵基合金表面制備高熵合金基復(fù)合材料改性層所用粉料，其特征在于：通過 激光反應(yīng)合成制備高熵合金基復(fù)合材料改性層所用的粉料，該粉料由兩部分組成，一部分 是高熵合金粉料，另一部分是陶瓷增強(qiáng)相粉料；該高熵合金粉料成分主要由5種純金屬粉 末組成，分別為Fe、Co、Cr、A1和Cu，所述的每種純金屬粉末含量占高熵合金粉料總摩爾數(shù) 的5~35%，陶瓷增強(qiáng)相粉末占粉料總量的1~50Wt%。
[0011] 形成高熵合金基復(fù)合材料改性層所用的陶瓷增強(qiáng)相粉末選用TiB、TiB2、TiC、WC、 A1203、B4C、AIN、TiN陶瓷粉末。
[0012] 所述高熵合金粉料和陶瓷增強(qiáng)相粉料各種粉末的純度不低于99. 9%，且涂層合金 粉料的粒度為35~100微米。
[0013] 涂層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)。
[0014] 一種如上所述的鐵基合金表面制備高熵合金基復(fù)合材料改性層的工藝方法，其特 征在于：按權(quán)利要求1的比例稱量、混合Fe、Co、Cr、A1和Cu金屬粉末及陶瓷增強(qiáng)相粉料， 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)置于鐵基合金表面，預(yù)置合金粉末厚度〇. 5~1. 5_ ;利用固體脈沖激光 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120~190A，光斑直 徑1. 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(hù)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(shí)熔 入涂層參與了表面合金化過程，獲得高熵合金基復(fù)合材料改性層厚度為〇. 5~1. 5mm。
[0015] 按等摩爾比制備FeCoCrAlCu合金粉末，添加10Wt%TiC粉末，將所配制的粉料經(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. 5~1. 5mm;利用ZQM-SD型500W Nd:YAG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 120~180A，光斑直徑1. 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(hù)氣氬氣流量為10~20L/min，獲得的高熵合金基復(fù)合材 料改性層厚度為〇? 5~1. 2mm。
[0016] 優(yōu)點(diǎn)及效果：
[0017] 本發(fā)明涉及一種鐵單元素基合金基材表面激光合金化制備高熵合金基復(fù)合材料 改性層所用粉料及工藝方法，具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0018] 本發(fā)明的粉料作用于鐵單元素基合金表面，主要解決現(xiàn)階段制備的高熵合金粉末 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，從而造成改性層材料與基體材料熱物理性能不匹配，激光輻照快速熔凝 導(dǎo)致改性層開裂及與基體合金材料結(jié)合不良等問題，陶瓷增強(qiáng)相的加入可進(jìn)一步改善高熵 合金改性層的性能。
[0019] 本發(fā)明涉及的高熵合金基復(fù)合材料粉料及其所制備的激光合金化改性層，避免了 傳統(tǒng)多元合金凝固過程組織中大量金屬間化合物脆性相析出的問題，所制備的復(fù)合材料改 性層基體為具有簡單BCC或FCC結(jié)構(gòu)的固溶體，其上彌散分布著所設(shè)計(jì)粉末中含有陶瓷增 強(qiáng)相。激光合金化法制備的高熵合金基復(fù)合材料改性層具有高硬度、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】：
[0020] 圖1為FeCoCrAlCu及FeCoCrAlCu+10Wt%TiC合金粉末X-射線衍射譜圖，其中，（a) FeCoCrAlCu， （b)FeCoCrAlCu+10Wt%TiC。
[0021] 圖2為球-盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)工作原理圖。
[0022] 圖3為Q235鋼表面FeCoCrAlCu激光合金化截面宏觀形貌圖。
[0023] 圖4為Q235鋼表面FeCoCrAlCu+10Wt%TiC激光合金化層截面宏觀形貌圖。
[0024] 圖5為Q235鋼表面FeCoCrAlCu+30Wt%TiC激光合金化層截面宏觀形貌圖。
[0025] 圖6為Q235鋼表面FeCoCrAlCu+50Wt%TiC激光合金化層截面宏觀形貌圖。
[0026] 圖7為FeCoCrAlCu+10Wt%TiC激光合金化層界面附近EDS元素定性分布線掃描 圖。
[0027] 圖8為Q235鋼表面FeCoCrAlCu+x%TiC(x=0, 10, 30)激光合金化改性層X-射線 衍射譜圖。
[0028] 圖9為FeCoCrAlCu激光高熵合金化改性層中部微觀組織形貌圖。
[0029] 圖10為FeCoCrAlCu+10Wt%TiC激光高熵合金化改性層中部微觀組織形貌圖。
[0030] 圖11為FeCoCrAlCu+30Wt%TiC激光高熵合金化改性層中部微觀組織形貌圖。
[0031] 圖12為FeCoCrAlCu+x%TiC(x=0, 10, 30, 50)激光高熵合金化改性層截面硬度分 布曲線圖。
[0032] 圖13為FeCoCrAlCu激光合金化改性層磨損樣品表面磨痕形貌圖。
[0033] 圖14為FeC〇CrAlCu+10Wt%TiC激光合金化層磨損樣品表面磨痕形貌圖。
[0034] 圖15為FeC〇CrAlCu+30Wt%TiC激光合金化層磨損樣品表面磨痕形貌圖。
【具體實(shí)施方式】：
[0035] 將所述的Fe、Co、Cr、A1和Cu五種金屬粉末按照一定摩爾比稱量，選擇陶瓷粉