一种高熵合金粉末和高硬度高熵合金涂层的制备方法

摘要

本发明提供了一种高熵合金粉末和高硬度高熵合金涂层的制备方法，通过在常规的FeNiAlCrCo合金中加入B元素，该高熵合金粉末制备的高熵合金涂层晶粒直径大大减小，从而使高熵合金涂层具备非常好的硬度，并在对B元素的加入量进一步分析后得到最佳的B元素加入量。

权利要求

1.一种高硬度高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将纯度高于

99.9％的Fe、Ni、Al、Cr、Co、B元素粉末混合，使用行星式球磨仪在室温下进行球磨，将球磨后的粉末预置在基体上，预置厚度为1.5mm，预置涂层烘干后在二氧化碳高功率激光器进行多道熔覆，所用的激光功率为500W，扫描速度为3mm/s，光斑直径为4mm，熔覆时用惰性气体氩气保护；

所述的Fe、Ni、Al、Cr、Co元素粉末为等摩尔混合，B元素粉末加入的摩尔量为其它元素的20-80％。

2.如权利要求1所述的高硬度高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，所述的B元素粉末加入的摩尔量为其它元素的75％。

3.如权利要求1所述的高硬度高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，所述的球磨仪球磨时间为8h，球料比为10∶1，球磨转数为200r/min。

说明书

一种高熵合金粉末和高硬度高熵合金涂层的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及合金材料领域，特别地，涉及一种高熵合金粉末和高硬度高熵合金涂层的制备方法。

背景技术

[0002] 1995年，中国 台湾学者叶均蔚首先提出了高熵合金这一概念。高熵合金通常是由5种或5种以上元素构成，并且每种元素含量都不低于5％，但也不会超过35％，各组成元素间相互作用，通过多种主元的集体领导来表现其特色。为充分发挥合金系统中高混乱度的效应，并与传统合金相区别，通常定义高熵合金的主元数目n≥5。以此类推，可将以单一元素为主元的传统合金归类于低熵合金的范畴，而中熵合金则介于两者之间，此范畴所含组元数目通常为2-4。

[0003] 高熵合金具有众多特点：高强度与硬度、良好的耐磨性、优异的耐热和腐蚀性能、以及具有一定的磁学性能。

[0004] 由于高熵合金具有较好的综合性能，但是一般在设计过程中含有很多贵重金属元素，如Co，V等，所以直接使用块体材料成本较高，而激光熔覆可以在低成本金属材料表面涂覆上高性能的高熵合金涂层，这将具有良好的应用前景。但是激光熔覆制备高熵合金涂层与真空电弧熔炼法制备高熵合金不同，由于高熵合金粉末中不同种类的金属元素之间及其与基体材料之间密度、熔点、比热和膨胀系数等热物理性能存在较大差异，直接用于激光熔覆一方面难以得到成分均匀的涂层，涂层的成形质量和表面连续性无法满足生产使用要求，另一方面激光熔覆过程中各个元素会有烧损，实际得到的合金涂层并不一定是名义上的高熵合金范畴。由此可见，对于激光熔覆专用的高熵合金粉末设计有较高的要求。但因其具备多种优异性能，所以制造激光熔覆专用高熵合金粉末及对激光熔覆的工艺控制具有非常大的意义。

[0005] 公开号为CN102828139A的专利文献公开了一种喷涂用高熵合金粉末，其采用在高熵合金粉末中添加Si、B元素以提高其自熔性和喷涂效果，但是 FeCrNiCoCu粉末激光熔覆实验时，其表面成形质量不佳，改变激光熔覆工艺参数亦改善不了其成形质量。

[0006] 公开号为CN103290404A的专利文献公开了一种激光熔覆用高熵合金粉末和高熵合金涂层的制备方法，其采用在高熵合金粉末中添加了10％～15％的Fe，14～ 17％的Cr，22％～25％的Ni，22％～24％的Co，22％～24％的Mn，0％～4％的Si，0％～ 4％的B，制备的涂层性能具有硬度高、耐高温、耐磨损、耐腐蚀的特点，但是单纯从硬度来考量，仍无法达到特殊行业应用的要求，故有必要进一步研究提高其硬度。

发明内容

[0007] 本发明目的在于提供一种高熵合金粉末和高硬度高熵合金涂层的制备方法，以解决技术问题。

[0008] 一种高熵合金粉末，包括以下主要成分：Fe、Ni、Al、Cr、Co、B。

[0009] 优选的，所述的Fe、Ni、Al、Cr、Co元素粉末为等摩尔混合，B元素粉末加入的摩尔量为其它元素的20-80％，即合金的表达式为FeNiAlCrCoBx， x＝0.2-0.8。

[0010] 进一步优选的，所述的B元素粉末加入的摩尔量为其它元素的75％，即合金的表达式为FeNiAlCrCoBx，x＝0.75。

[0011] 一种高硬度高熵合金涂层的制备方法，包括以下步骤：将纯度高于99.9％的Fe、Ni、Al、Cr、Co、B元素粉末混合，使用行星式球磨仪在室温下进行球磨，将球磨后的粉末预置在基体上，预置厚度为1.5mm，预置涂层烘干后在二氧化碳高功率激光器进行多道熔覆，所用的激光功率为500W，扫描速度为3mm/s，光斑直径为4mm，熔覆时用惰性气体氩气保护。

[0012] 优选的，所述的球磨仪球磨时间为8h，球料比(质量比)为10∶1，球磨转数为200r/min。

[0013] 本发明具有以下有益效果：本发明提供了一种高熵合金粉末和高硬度高熵合金涂层的制备方法，通过在常规的FeNiAlCrCo合金中加入B元素，该高熵合金粉末制备的高熵合金涂层晶粒直径大大减小，从而使高熵合金涂层具备非常好的硬度，并在对B元素的加入量进一步分析后得到最佳的B元素加入量。

[0014] 除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

[0015] 图1为实施例1-3和对比例激光熔覆后FeNiAlCrCoBx高熵合金涂层的XRD 相结构分析图。

[0016] 图2为实施例1-3和对比例激光熔覆后FeNiAlCrCoBx高熵合金涂层的宏观形貌图。

[0017] 图3为实施例1-3和对比例的FeNiAlCrCoBx高熵合金涂层与基体不同位置的维氏硬度变化曲线图。

具体实施方式

[0018] 以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

[0019] 以下实验基体材料采用Q235钢。

[0020] 实施例1

[0021] 一种高硬度高熵合金涂层的制备方法，包括以下步骤：将纯度高于99.9％的Fe、Ni、Al、Cr、Co、B元素粉末混合，使用行星式球磨仪在室温下进行球磨，将球磨后的粉末预置在基体上，预置厚度为1.5mm，预置涂层烘干后在二氧化碳高功率激光器进行多道熔覆，所用的激光功率为500W，扫描速度为3mm/s，光斑直径为4mm，熔覆时用惰性气体氩气保护；

[0022] 所述的步骤A中的Fe、Ni、Al、Cr、Co元素粉末为等摩尔混合，B元素粉末加入的摩尔量为其它元素的75％，即合金的表达式为FeNiAlCrCoBx，x＝0.75；

[0023] 所述的球磨仪球磨时间为8h，球料比(质量比)为10∶1，球磨转数为 200r/min。

[0024] 实施例2

[0025] 一种高硬度高熵合金涂层的制备方法，包括以下步骤：将纯度高于99.9％的Fe、Ni、Al、Cr、Co、B元素粉末混合，使用行星式球磨仪在室温下进行球磨，将球磨后的粉末预置在基体上，预置厚度为1.5mm，预置涂层烘干后在二氧化碳高功率激光器进行多道熔覆，所用的激光功率为500W，扫描速度为3mm/s，光斑直径为4mm，熔覆时用惰性气体氩气保护；

[0026] 所述的步骤A中的Fe、Ni、Al、Cr、Co元素粉末为等摩尔混合，B元素粉末加入的摩尔量为其它元素的50％，即合金的表达式为FeNiAlCrCoBx，x＝0.5；

[0027] 所述的球磨仪球磨时间为8h，球料比(质量比)为10∶1，球磨转数为 200r/min。

[0028] 实施例3

[0029] 一种高硬度高熵合金涂层的制备方法，包括以下步骤：将纯度高于99.9％的Fe、Ni、Al、Cr、Co、B元素粉末混合，使用行星式球磨仪在室温下进行球磨，将球磨后的粉末预置在基体上，预置厚度为1.5mm，预置涂层烘干后在二氧化碳高功率激光器进行多道熔覆，所用的激光功率为500W，扫描速度为3mm/s，光斑直径为4mm，熔覆时用惰性气体氩气保护；

[0030] 所述的步骤A中的Fe、Ni、Al、Cr、Co元素粉末为等摩尔混合，B元素粉末加入的摩尔量为其它元素的25％，即合金的表达式为FeNiAlCrCoBx，x＝0.25；

[0031] 所述的球磨仪球磨时间为8h，球料比(质量比)为10∶1，球磨转数为 200r/min。

[0032] 对比例

[0033] 将实施例1中的B元素去除，其他条件不变。

[0034] 对实施例1-3及对比例的涂层进行检测，得到如下数据：

[0035] 图1为实施例1-3和对比例激光熔覆后FeNiAlCrCoBx高熵合金涂层的XRD 相结构分析图。

[0036] 图1显示FeNiAlCrCoBx高熵合金涂层的组成化合物为BCC、FCC和M2B(M 代表Fe、Ni、Cr、Co)。由于高熵的抑制作用，涂层中并没有很多不同种类的金属化合物存在。

[0037] 图2为实施例1-3和对比例激光熔覆后FeNiAlCrCoBx高熵合金涂层的宏观形貌。

[0038] 其中图2a为x＝0时涂层形貌，图2b为x＝0时涂层局部放大形貌。

[0039] 其中图2c为x＝0.25时涂层形貌，图2d为x＝0.25时涂层局部放大形貌。

[0040] 其中图2e为x＝0.5时涂层形貌，图2f为x＝0.5时涂层局部放大形貌。

[0041] 其中图2g为x＝0.75时涂层形貌，图2h为x＝0.75时涂层局部放大形貌。

[0042] 图1显示加入B元素后，合金中晶粒尺寸发生巨大变化，图中x＝0时，晶粒直径约为80μm，而x＝0.25、0.5、0.75时，晶粒直径约为5μm，

[0043] 有一种理论可以解释以上现象，即加入B元素后，在反应过程中发生异相成核生成M2B结构。图2b中A区域的组成为BCC，而B区域的组成为FCC；而图2d、2f和2h中，A区域的组成为BCC，但B区域的组成已经变为FCC和M2B。并且由XRD相分析图谱可以得知，随着B元素的增加，FCC和M2B的共熔结构也会增加。

[0044] 表1为实施例1-3及对比例的涂层的EDS分析各元素的相对含量(原子百分比)。

[0045]

[0046] 由表1可以知道，由于激光熔覆的稀释作用，每种涂层中Fe元素的实际含量都要高于预先加入的含量；而B元素在A区域的含量要远低于B区域；大部分的Cr和B元素都在B区域，这表明晶粒结构中存在元素的分散不均。

[0047] 热力学分析结果表明晶体结构中存在M2B化学结构，这与表1的分析结果一致。

[0048] 图3为实施例1-3和对比例的FeNiAlCrCoBx高熵合金涂层与基体不同位置的维氏硬度变化曲线图。

[0049] 由图3可以知道，当x＝0时，涂层的平均维氏硬度为344.74Hv，当x＝0.25 和0.5时，涂层的平均维氏硬度为574.64和625.48Hv，当x＝0.75时，涂层的平均维氏硬度为726.02Hv。

[0050] 由于晶粒的直径差距较大，故不加B的涂层的维氏硬度差很多。

[0051] 由于高熵合金的作用，x＝0.75的涂层硬度要明显大于x＝0.25和0.5时。

[0052] 但是如果涂层中高熵合金导致固体浓度过高会造成更大程度的晶格扭曲。在这种情况下，在涂层中固体浓度的强化作用就会成为主要的强化机理，此时在基质和涂层之间的组合物主要由熔化区和过热区存在，这会导致晶粒的直径增大，从而会导致涂层的维氏硬度下降。

[0053] 由以上分析可以知道，本发明的高熵合金粉末的最佳配比为FeNiAlCrCoBx， x＝0.75。

[0054] 此检测数据只针对上述检测样品。

[0055] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。