一種具有液相分離組織的含Cu高熵合金涂層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于合金材料設(shè)計(jì)領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種具有液相分離組織的含Cu高熵合金涂層及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]多主元高熵合金因其特有的高熵效應(yīng)，緩慢擴(kuò)散效應(yīng)，納米相強(qiáng)化及超高晶格畸變等特點(diǎn)，具有高硬度、耐高溫、耐腐蝕等多種優(yōu)異性能，正逐漸受到合金材料設(shè)計(jì)人員的關(guān)注。其合金成分設(shè)計(jì)范圍由5至11種主要合金元素等摩爾比或近等摩爾比配置，由于其高混合熵效應(yīng)，凝固后一般可避免復(fù)雜金屬間化合物的大量形核，多形成以面心立方(fee)和體心立方(bcc)簡(jiǎn)單固溶體為主的單相結(jié)構(gòu)。目前，多數(shù)研宄顯示高熵合金中bcc相硬度較高但脆性較大，而fee相塑性較好但硬度偏低。因此，設(shè)計(jì)fcc+bcc兩相組織是高商合金性能調(diào)控的一種有意義的途徑。
[0003]液相分離是調(diào)控合金形成多相組織的一種有效手段，常見于組成元素在液相下互不相溶的多元合金中，例如在Cu-Fe、Cu-Cr> Cu-Co-Fe等銅基二元、三元合金由于銅與組成元素之間具有大的正混合熱，相圖中均存在一個(gè)亞穩(wěn)的液相不混溶區(qū)，意味著合金熔體過冷時(shí)會(huì)分成兩種不混溶液相，凝固后銅基體組織上可彌散分布接近圓形的富Fe、富Cr、富Co等硬質(zhì)相，顯著提高純銅的硬度，且對(duì)導(dǎo)電性能損害較小。中國(guó)專利公開號(hào)為CN104213054A，申請(qǐng)日為2014年09月03日的專利申請(qǐng)文件公開了一種液相分離雙相塊體金屬玻璃材料及其制備技術(shù)，利用液相分離的雙相組織調(diào)控金屬玻璃的性能。該發(fā)明的液相分離雙相塊體金屬玻璃材料包括合金元素Zr和RE形成的液相分離合金Zr-RE，以及添加的其他合金元素，在快速冷卻條件下分別形成富Zr和富RE的兩金屬玻璃相，合金熔體在發(fā)生玻璃轉(zhuǎn)變之前，先發(fā)生液-液相分離，生成富Zr和富RE兩液相，并且添加的其他合金元素選擇性分配在兩液相中，分別演變至各自合金系的共晶成分附近區(qū)域，使之具有較強(qiáng)的非晶形成能力。在隨后快速冷卻過程中，兩液相均發(fā)生玻璃轉(zhuǎn)變，通過銅模鑄造制備雙相塊體金屬玻璃棒材，制備的Zr基雙相塊體金屬玻璃的直徑在I?3mm，制備的RE基雙相塊體金屬玻璃的直徑在I?2_?？梢?，與常規(guī)材料相比，液相分離合金因其獨(dú)特的組織結(jié)構(gòu)往往具有特殊的力學(xué)和物化性能。目前，已報(bào)道的高熵合金成分中多數(shù)含有Fe、Co、N1、Cr、Cu等主要合金元素，雖然Cu與其它合金元素大多具有正的混合熱，兩兩不相混熔，但由于高熵合金組成元素較多且銅含量一般不超過35%，高熵合金高的原子混亂度限制了富銅液相從熔體中分離出來。目前，報(bào)道的能形成液相分離組織的高熵合金成分尚不多見，亦沒有簡(jiǎn)單可行的方案使高熵合金涂層在激光熔覆時(shí)形成液相分離組織，從而通過兩相組織調(diào)控高熵合金的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]1.要解決的問題
[0005]現(xiàn)有的高熵合金成分很少能形成液相分離組織，本發(fā)明提供一種具有液相分離組織的含Cu高熵合金涂層及其制備方法。本發(fā)明在含Cu高熵合金中添加少量納米Y2O3,由于納米Y2O3具有大的表面效應(yīng)和小尺寸效應(yīng)，可促進(jìn)激光熔覆含銅高熵合金涂層熔凝時(shí)液相銅從合金熔體中分離，涂層凝固基體組織上原位自生大量彌散分布的富銅相顆粒，從而改變了涂層的單相結(jié)構(gòu)，為高熵合金通過液相分離設(shè)計(jì)復(fù)相組織、拓展性能提供了新的方法。
[0006]2.技術(shù)方案
[0007]為了解決上述問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:
[0008]一種具有液相分離組織的含Cu高熵合金涂層，所述的含Cu高熵合金涂層由5種或5種以上金屬或非金屬元素組成，其中一種金屬元素為Cu元素，Cu元素的含量為高熵合金成分總摩爾數(shù)的15?35%，其他合金元素的含量分別為高熵合金成分總摩爾數(shù)的5?35%;所述的含Cu高熵合金涂層中還添加有Y2O3，其在含Cu高熵合金涂層中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為
0.5 ?
[0009]優(yōu)選地，所述的Y2O3為納米Y 203，粒徑大小為20?lOOnm。
[0010]上述的一種具有液相分離組織的含Cu高熵合金涂層的制備方法，其步驟為:
[0011](I)按比例將Cu粉末、Y2O3及其他金屬粉末混合配置成合金粉末；
[0012](2)將步驟(I)中的合金粉末與酒精混合，然后進(jìn)行濕磨，最后真空干燥待用；
[0013](3)將步驟(2)中干燥的合金粉末通過橫流CO2激光器制備具有液相分離組織的含Cu高熵合金涂層。
[0014]優(yōu)選地，所述的步驟(I)中Cu粉末及其他金屬粉末的純度不低于99.5%，粒徑大小為10?100 μπι ;Y203的粒徑大小為20?10nmo
[0015]優(yōu)選地，所述的步驟(2)中酒精與高熵合金粉末的體積比大于2:1 ;高熵合金粉末與酒精混合后在行星球磨儀中進(jìn)行濕磨，濕磨時(shí)間為20-60min ;真空干燥溫度低于60°C。
[0016]優(yōu)選地，所述的步驟(3)中橫流0)2激光器采用同軸式送粉方式制備具有液相分離組織的含Cu高熵合金涂層，其中，激光掃描速度為100?400mm/min，激光功率為1.5?3kl
[0017]優(yōu)選地，所述的步驟(3)中對(duì)制備含Cu高熵合金涂層區(qū)域進(jìn)行同步的惰性氣體保護(hù)。
[0018]上述的一種具有液相分離組織的含Cu高熵合金涂層在鐵基材料表面防腐、耐磨領(lǐng)域中的應(yīng)用。
[0019]本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)是:通常高摘合金中形成的bcc相硬度較高但脆性較大，而fee相塑性較好但硬度偏低。因此，設(shè)計(jì)fcc+bcc兩相組織是高熵合金性能調(diào)控的一個(gè)主要方向。以往的研宄主要是通過合金成分的調(diào)整，使其凝固過程中得到兩相。而本發(fā)明通過在高熵合金組分中添加特定尺寸(20?10nm)的納米氧化物Y2O3，優(yōu)化制備工藝，在特定的激光熔覆條件下(激光掃描速為100?400mm/min，激光功率為1.5?3kW)，利用液相分離的方法在高熵合金基體組織上原位自生大量彌散分布的富銅相顆粒，從而改變了涂層的單相結(jié)構(gòu)，成本低，簡(jiǎn)單有效，經(jīng)濟(jì)效益顯著。
[0020]3.有益效果
[0021]相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果為:
[0022](I)本發(fā)明在含Cu高熵合金中添加少量納米Y2O3可促進(jìn)激光熔覆含銅高熵合金涂層熔凝時(shí)液相銅從合金熔體中分離，涂層凝固基體組織上原位自生大量彌散分布的富銅相顆粒，從而改變了涂層的單相結(jié)構(gòu)，通過兩相復(fù)合起到調(diào)節(jié)涂層性能的作用；
[0023](2)本發(fā)明中由于納米Y2O3粒子具有大的表面效應(yīng)和小尺寸效應(yīng)，有利于其作為異質(zhì)形核的核心促進(jìn)富銅液相被納米粒子表面吸附，從而降低了富銅液相分凝所需的界面能，有利于涂層發(fā)生液相分離；
[0024](3)本發(fā)明中制備的含Cu高熵合金涂層與不添加納米Y2O3的含Cu高熵合金涂層相比，本發(fā)明制備的含Cu高熵合金涂層具有液相分離組織，添加的納米Y2O3硬質(zhì)相還可起到彌散強(qiáng)化效果，涂層不僅硬度更高，而且富銅相對(duì)涂層韌性有改善作用；
[0025](4)本發(fā)明的涂層制備方法可在低成本的鐵基表面制備具有液相分離組織的高性能含Cu高熵合金涂層，涂層材料的制備極大地節(jié)約了資源，降低了成本，且其硬度等綜合力學(xué)性能得到顯著提高。
【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明中激光熔覆I % Y2O3-AlCoCrCuFeNiSi0.5涂層典型液相分離組織形貌圖；
[0027]圖2為本發(fā)明的未添加納米Y2O3的激光熔覆AlCoCrCuFeNiSi。.5涂層組織形貌圖；
[0028]圖3 為本發(fā)明激光熔覆 AlCoCrCuFeNiSi。.5和 I % Y 203-AlCoCrCuFeNiSiQ 5涂層的XRD相結(jié)構(gòu)分析圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步進(jìn)行描述。
[0030]實(shí)施例1
[0031]一種具有液相分離組織的含Cu高熵合金涂層，其由5種或5種以上金屬或非金屬元素按照等原子比或接近于等原子比合金化得到，此外還添加了不同量的納米Y2O3，納米Y2O3粒度分布在20?10nm之間。本實(shí)施例中預(yù)制4種高熵合金粉末，分別記為 0.5 % Y2O3-AlCoCrCuFeNiSia 5、I % Y2O3-CoCrCu2FeN1、2 % Y2O3-AlCoCrCuFeNi和 3 % Y2O3-CoCrCuFeNi，其中，0.5 % Y2O3-AlCoCrCuFeNiSia 5高熵合金中 Y 203的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.5 %，其他金屬元素的摩爾比為:Al: Co: Cr: Cu: Fe: N1: Si = 1:1:1:1:1:1:0.5 ；I % Y2O3-CoCrCu2FeNi高熵合金中Y2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為I %，其他金屬元素的摩爾比為:Co:Cr:Cu:Fe:Ni = 1:1:2:1:1 ;2% Y2O3-AlCoCrCuFeNi 高熵合金中 Y2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 2%，其他金屬元素的摩爾比為:A1:Co:Cr:Cu:Fe:Ni = 1:1:1:1:1:1 ；3% Y2O3-CoCrCuFeNi 高摘合金中Y2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，其他金屬元素的摩爾比為:Co:Cr:Cu:Fe:Ni = 1:1:1:1:1 ；本實(shí)施例中金屬粉末均購(gòu)自河南漯河市華通冶金粉末有限責(zé)任公司，Cu粉末的純度彡99.5%，Al粉末的純度多99.9%，Ni粉末的純度多99.5%，Co粉末的純度多99.9%，Cr粉末的純度彡99.6%，F(xiàn)e粉末的純度彡99.8%, Si粉末的純度彡99.9%，粒徑大小均為10 ?100 μ mD
[0032]按照上述比例將各金屬元素粉末混合均勻并添加相應(yīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米Y2O3(粒度分布在20?10nm之間)配置成合金粉末，隨后，在已配置好的含納米Y2O3的高熵合金粉末中添加酒精(無水乙醇)混合均勻，酒精與合金粉末的體積比為4:1，然后在行星球磨儀(德國(guó)，PM100)中進(jìn)行濕磨30分鐘，行星球磨儀的轉(zhuǎn)速為200轉(zhuǎn)/min，混合好的粉末在真空干燥爐中于60°C烘干待用。最后，利用武漢團(tuán)結(jié)激光公司生產(chǎn)的橫流CO2激光器以同步式送粉方式將真空干燥后的合金粉末激光熔覆到45號(hào)鋼基合金表面。激光工藝參數(shù)為:激光功率為1.5kW，掃描速度為400mm/min，對(duì)激光熔覆含Cu高熵合金涂層的45號(hào)鋼基合金表面區(qū)域進(jìn)行同步的惰性氣體保護(hù)。
[0033]激