鎳單元素基合金表面激光高熵合金化用粉料及制備工藝的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種在鎳基材料一鎳單元素基合金基材表面激光反應合成制備高商 合金涂層材料用粉料的配方及工藝方法，屬于表面工程技術領域。
【背景技術】
[0002] 傳統合金設計理念一般是選擇一種或兩種主要元素，添加其它微量元素來改變合 金的微觀組織結構及性能，由此設計出來的合金組織結構及性能多受限于主元素，同時可 能出現脆性金屬間化合物，從而限制了合金在許多領域的應用。臺灣學者Yeh等人，率先跳 出傳統合金設計的框架，提出新的合金設計理念，即多主元高混合熵合金。該合金具有5種 及以上主元，且每種主元的原子分數不超過35 %，多主元條件下將產生高熵效應，使得高熵 合金具有簡單固溶體結構。高熵合金具有許多優良的性能，而其高硬度，良好的耐磨性，耐 高溫和抗氧化性能最為突出，頗具有學術研宄價值和工業應用潛力，引起了材料科學界的 廣泛關注和積極探索。
[0003] 目前，高熵合金采用雞尾酒式的配制方法，文獻報道鑄態高熵合金的組織結構及 性能研宄較多，而采用激光合金化反應合成技術制備高熵合金的研宄相對較少，最近，張暉 等采用預置高熵合金粉末通過激光熔覆技術制備了FeC〇NiCrAl2Si等系列高熵合金，結果 表明，采用激光表面處理方法可以制備出具有良好性能的高熵合金涂層。激光合金化具有 快速加熱和快速凝固（1〇 4?10 6°C/s)的特點，制備涂層的厚度可達到毫米以上。
[0004] 采用熱噴涂和激光熔覆等快速凝固表面技術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、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、熱噴涂等表面技術難以得到成分均勻的涂層，從而導致涂層的成型質量和表面連續性 無法滿足生產的使用要求。
【發明內容】
[0005] 本發明提供一種用于鎳單元素基合金基材表面激光高熵合金化所用粉料及制備 技術，通過高能束激光輻照，利用單元素基合金基材的主要組成元素Ni溶入涂層材料的反 應合成技術制備高熵合金涂層，其目的在于解決高熵合金涂層材料與基體材料熱物理性能 不匹配、自熔性差、涂層開裂等弊端。
[0006] 本發明為解決上述問題而采取的技術方案為：
[0007] -種鎳單元素基合金表面激光高商合金化用粉料，其特征在于：該合金粉料是由 Fe、Co、Cr、A14種金屬元素組成，且每種元素均為等摩爾比，其中Fe、Co、Cr、Al單質金屬元 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。
[0008] 所配置的合金粉料需在行星式球磨機中球磨或研缽中研磨混合2?5小時。
[0009] -種制備鎳單元素基合金表面激光高熵合金化涂層的方法，按上述等摩爾比 1:1:1:1制備Fe、Co、Cr、Al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，干燥后的合金粉末預置于Ni201合金基材表面，預置合金 粉末厚度〇. 5?1. 5_;采用橫流式C02激光器進行單道和多道次激光輻照，具體的工藝參 數為：激光輸出功率2kW，激光波長10640nm，光斑直徑3mm，掃描速度為1?lOmm/s，激光束 大面積掃描搭接率為50%，獲得的激光合金化層厚度為0. 4?1. 5mm。
[0010] 激光合金化過程采用惰性氣體保護。
[0011] 激光合金化過程采用氬氣保護，其流量10-20L/min。
[0012] 優點及效果：
[0013] 本發明提出了一種利用基體主元參與的激光反應合成制備高熵合金化涂層所用 粉料，其可以根據使用性能的要求，在比較自由的選擇范圍內，任意的調整和搭配主元。即 選擇4種等摩爾比配制的Fe、Co、Cr、A1合金粉末，通過高能量密度激光束福照，使基材 Ni201中的Ni元素參與表面合金化過程，從而制備5元表面高熵合金化涂層。所述的高熵 合金化層的晶體結構簡單，表面性能優異，擴大了高熵合金在材料表面改性領域的應用范 圍。
【附圖說明】
[0014] 圖1為配制的FeCoCrAl四元合金粉末X-射線衍射譜圖；
[0015] 圖2為在Ni201基材表面制備的FeCoCrAINi激光高熵合金化層X-射線衍射譜 圖；
[0016] 圖3為Ni201基材表面FeCoCrAINi激光高熵合金化層截面宏觀形貌圖；
[0017] 圖4為Ni201基材表面FeCoCrAINi激光高熵合金化層截面微觀組織形貌圖；
[0018] 圖5為FeCoCrAINi激光高熵合金化層與Ni201基材界面附近各主元沿AA線EDS 元素定性成分分布曲線圖；
[0019] 圖6為FeCoCrAINi激光高熵合金化層各區域組織形貌及EDS選區成分分析位置 示意圖，其中，圖6(a)表層，圖6(b)中部，圖6(c)界面；
[0020] 圖7為Ni201基材表面FeCoCrAINi激光高熵合金化層截面硬度分布曲線圖；
[0021] 圖8為FeCoCrAINi激光高熵合金化層與基材界面附近區域顯微硬度壓痕形貌 圖；
[0022] 圖9為Ni201基材及FeCoCrAINi激光高熵合金化層磨損樣品表面磨痕形貌圖，其 中，圖 9 (a)Ni201 基材，（b)FeCoCrAINi合金化層；
[0023] 圖10為采用低能量密度（V= 10mm/S)激光輻照條件下，FeCoCrAINi激光合金化 涂層微觀組織形貌圖，其中圖10(a)全貌；(b)涂層與基材界面處氣孔；（c)，（d)涂層內裂 紋；
[0024] 圖11為采用高能密度（V=lmm/s)激光輻照條件下，FeCoCrAINi激光高熵合金 化涂層宏觀形貌圖；
[0025] 圖12為采用適當的工藝參數（V= 5mm/s)制備Ni201基材表面FeCoCrAINi激光 高熵合金化層宏觀形貌圖。
【具體實施方式】
[0026] 本發明涉及一種用于鎳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Ni熔入涂層材料，通 過反應合成技術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、涂層易于開裂及與鎳基合金基材結合不良等弊端。
[0027] 本發明采用激光表面合金化方法，在鎳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合的新型復合材料，為制備具有較高力學性能與高環境抗力的新型復 合材料提供一種嶄新的途徑。
[0028] 本發明涉及一種鎳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 種在鎳單元素基合金表面通過激光福照反應合成制備FeCoCrAINi高j：商合金化涂層材料所 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。
[0029] 所述的粉料由Fe、Co、Cr和A1四種金屬元素組成，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粉末純度不低于99. 9 %，合金粉料的粒度為45?100微 米。
[0030] 所配置的合金粉料需在行星式球磨機中球磨或研缽中研磨混合2-5小時，混合粉 料球磨或研磨均在室溫下進行，溫度為23 ±1°C，相對濕度為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。圖1為FeCoCrAl四元混合粉末X-射線衍射譜圖。
[0031] 利用數控線切割機將Ni201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#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。
[0032] 將FeCoCrAl合金粉末預置于Ni201基材表面，預置合金粉末厚度為0. 5?1. 5mm。 采用C02激光器進行單道和多道次激光輻照，具體的工藝參數為：激光輸出功率2kW，激光 波長10640nm，光斑直徑3mm，掃描速度為1?lOmm/s，激光束大面積掃描搭接率為50%。激 光合金化過程中采用氬氣保護，保護氣氬氣流量為10_20L/min，所獲得的激光合金化層厚 度為0? 4?1. 5mm。
[0033] 以下結合實施例詳述本發明，但本發明不局限于下述實施例。
[0034] 實施例1
[0035] FeCoCrAl四元合金粉末的制備。
[0036] 按等摩爾比1:1:1:1配置？6、&)、(>、41四元合金粉末，將配置的合金粉料需置于 星式球磨機中球磨或研缽中研磨混合2?5小時。混合粉料球磨或研磨均在室溫下進行， 溫度為23 ± 1 °C，相對濕度為40 ± 10 %，然后將混合均勻的粉料置于真空干燥箱中干燥2? 8小時備用，球磨過程中合金粉末未發生反應。
[0037] 實施例2
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