一种激光熔覆用FeCoVWNbSc高熵合金粉末及使用方法

摘要

本发明公开一种激光熔覆用FeCoVWNbSc高熵合金粉末及使用方法，属于激光表面改性技术领域。所述FeCoVWNbSc高熵合金粉末包括以下成分：Fe、Co、V、W、Nb和Sc，其中，Fe、Co、V、W、Nb、Sc的摩尔比为1:1:1:1:1:0.02～0.04；在Fe、Co、V、W、Nb五元合金中加入Sc使各元素之间相互作用呈现出优良的抗高温氧化、腐蚀等性能，且涂层组织结构优异；激光熔覆还可使涂层与基材形成一个细小的稀释区，从而形成冶金结合，使得基材与涂层间具有良好的结合作用，有助于提高涂层的耐用性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光熔覆用FeCoVWNbSc高熵合金粉末及使用方法，属于激光表面改性技术领域。

技术背景

传统合金以一种元素为主要元素（称为主元），通过添加适量其它元素来提高合金的性能。高熵合金又称多主元合金，是由5-13种元素构成，每种元素的摩尔比介于5%到35%间，合金的性能由多种主元共同作用来决定。通过适当的成分设计可以获得高强度、高硬度、耐高温软化和高耐腐蚀性的高熵合金，从而在某些特殊工作环境中 ( 如航空、航天、能源等领域 ) 具有重要的应用前景。

目前，高熵合金的研究主要使用真空熔铸方式制备块体材料，熔铸方式最大的限制在于无法将试样尺寸做大，且研究过程中只需一小部分区域就可满足要求，从而导致熔铸制样过程中成本的增加，而激光熔覆高尚和金不仅能保证优异的使用性能，还能有效降低成本。虽然有学者通过磁控溅射和化学沉积的方法制备高尚和金涂层，但因其结合方式通常为物理结合或是机械基合，使涂层和基材间的结合强度较低，而激光熔覆不仅能再基材与涂层间形成冶金结合去增加结合强度，还可有效控制涂层厚度，最高可达几毫米。因此，通过适当的合金的配比设计，获得性能较好的高熵合金熔覆层，对于发展高熵合金在实际应用方面具有巨大的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光熔覆用FeCoVWNbSc高熵合金粉末，所述FeCoVWNbSc高熵合金粉末包括以下成分：Fe、Co、V、W、Nb和Sc，其中，Fe、Co、V、W、Nb、Sc的摩尔比为1:1:1:1:1:0.02～0.04。

本发明另一目的在于提供所述FeCoVWNbSc高熵合金粉末用于制备激光熔覆层的方法，具体包括以下步骤：

（1）将各粉末称量混合后进行进行真空球磨，球磨时间大于2.5小时，充分混合后得到合金粉末，粉末粒径为170-310目；

（2）将步骤（1）得到的合金粉末均匀预置在经过除油除锈处理过的45钢表面，形成预置层，熔覆前放入恒温干燥箱中干燥，干燥后经激光熔覆可得到相应的高熵合金涂层。

优选的，本发明所述激光熔覆工艺参数为：激光功率为3500-4000W，扫描速度为250-400mm/min，光斑直径为3.0mm，离焦量为20mm，保护气体采用氩气，气体流量为8-15L/min。

优选的，本发明步骤（2）中干燥条件为：在80℃下干燥8-12h，预制层的厚度为0.8-1.3mm。

优选的，本发明所述各粉末的纯度≥99.9%。

本发明有益效果：

（1）本发明所得到的高熵合金能在兼顾耐蚀性、塑性、强度等特性的同时，降低高温脆性。

（2）本发明通过激光熔覆工艺得到成型良好的熔覆层，高熵合金粉末配比并非全部采用等摩尔配比，而是有目的调控不同成分与配比，期望得到性能更优异的熔覆涂层。

（3）本发明提供的粉末配方与基材具有优异的结合性能，在形成高熵合金的前提下，所得熔覆熔覆层具有良好的宏观形貌，无裂纹、孔洞等缺陷。

附图说明

图1为本发明实施例1熔覆层金相组织；

图2为本发明实施例2熔覆层金相组织；

图3为本发明实施例3熔覆层金相组织；

图4为本发明实施例4熔覆层金相组织；

图5为本发明实施例5熔覆层金相组织。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

实施例1

本实施例所述高熵合金材料由Fe、Co、V、W、Nb和Sc六种单质粉末组成，各组分的摩尔比为：1:1:1:1:1:0.02，并采用分析电子称称取各种金属元素粉末，金属粉末的总质量为50g，金属粉末的质量分别为：Fe：6.30773g，Co：6.64564g、V：5.74453g，W：10.47532g，Nb：20.72537g，Sc：0.10181g。

本实施例所述高熵合金材料熔覆层的制备方法，包括以下步骤：

（1）将各个粉末混合后，进行真空球磨，球磨3.5h，充分混合，得到合金粉末，粉末粒径为200-300目。

（2）基体材料选用45钢，采用机械打磨去除氧化物，采用丙酮去除油污，并采用超声波酒精清洗。

（3）将步骤（1）得到的合金粉末材料均匀压制在步骤（2）处理后的基体材料表面，行成预制层，预制层厚度为1mm，干燥后通过激光熔覆即可获得熔覆层，进行激光熔覆时的工艺参数为：激光功率3500W，扫描速度250mm/min，光斑直径3mm、离焦量20mm、保护气体采用氩气，气体流量8L/min。

本实施例激光熔敷后的熔覆层采用王水进行腐蚀，获得了熔敷层金相照片，如图1所示，可知熔覆层结构致密；采用HVS-1000A型显微硬度仪测量熔覆层的显微硬度，其中熔覆层与母材分别不同位置测量五个值，并去除最大与最小值之后取平均值，实验结果所示，激光熔敷后平均硬度达到875HV，较母材得到显著提高，具体如下表所示。

实施例2

本实施例所述高熵合金材料由Fe、Co、V、W、Nb和Sc六种单质粉末组成，各组分的摩尔比为：1:1:1:1:1:0.025，并采用分析电子称称取各种金属元素粉末，金属粉末的总质量为50g，金属粉末的质量分别为：Fe：6.30453g，Co：6.64227g、V：5.74163g，W：10.47003g，Nb：20.71489g，Sc：0.12665g。

本实施例所述高熵合金材料熔覆层的制备方法，包括以下步骤：

（1）将各个粉末混合后，进行真空球磨，球磨3h，充分混合，得到合金粉末，粉末粒径为204-310目。

（2）基体材料选用45钢，采用机械打磨去除氧化物，采用丙酮去除油污，并采用超声波酒精清洗。

（3）将步骤（1）得到的合金粉末材料均匀压制在步骤（2）处理后的基体材料表面，行成预制层，预制层厚度为0.9mm，干燥后通过激光熔覆即可获得熔覆层，进行激光熔覆时的工艺参数为：激光功率3800W，扫描速度270mm/min，光斑直径3mm、离焦量20mm、保护气体采用氩气，气体流量9L/min。

本实施例激光熔敷后的熔覆层采用王水进行腐蚀，获得了熔敷层金相照片，如图2所示，可知熔覆层结构致密；采用HVS-1000A型显微硬度仪测量熔覆层的显微硬度，其中熔覆层与母材分别不同位置测量五个值，并去除最大与最小值之后取平均值，实验结果所示，激光熔敷后平均硬度达到913HV，较母材得到显著提高，具体如下表所示。

实施例3

本实施例所述高熵合金材料由Fe、Co、V、W、Nb和Sc六种单质粉末组成，各组分的摩尔比为：1:1:1:1:1:0.03，并采用分析电子称称取各种金属元素粉末，金属粉末的总质量为50g，金属粉末的质量分别为：Fe：6.30134g，Co：6.63891g、V：5.73872g，W：10.46472g，Nb：20.7044g，Sc：0.15191g。

本实施例所述高熵合金材料熔覆层的制备方法，包括以下步骤：

（1）将各个粉末混合后，进行真空球磨，球磨3.5h，充分混合，得到合金粉末，粉末粒径为200-300目。

（2）基体材料选用45钢，采用机械打磨去除氧化物，采用丙酮去除油污，并采用超声波酒精清洗。

（3）将步骤（1）得到的合金粉末材料均匀压制在步骤（2）处理后的基体材料表面，行成预制层，预制层厚度为1.1mm，干燥后通过激光熔覆即可获得熔覆层，进行激光熔覆时的工艺参数为：激光功率4000W，扫描速度300mm/min，光斑直径3mm、离焦量20mm、保护气体采用氩气，气体流量10L/min。

本实施例激光熔敷后的熔覆层采用王水进行腐蚀，获得了熔敷层金相照片，如图3所示，可知熔覆层结构致密；采用HVS-1000A型显微硬度仪测量熔覆层的显微硬度，其中熔覆层与母材分别不同位置测量五个值，并去除最大与最小值之后取平均值，实验结果所示，激光熔敷后平均硬度达到937HV，较母材得到显著提高，具体如下表所示。

实施例4

本实施例所述高熵合金材料由Fe、Co、V、W、Nb和Sc六种单质粉末组成，各组分的摩尔比为：1:1:1:1:1:0.035，并采用分析电子称称取各种金属元素粉末，金属粉末的总质量为50g，金属粉末的质量分别为：Fe：6.30063g，Co：6.63816g、V：5.73807g，W：10.46355g，Nb：20.70207g，Sc：0.15752g。

本实施例所述高熵合金材料熔覆层的制备方法，包括以下步骤：

（1）将各个粉末混合后，进行真空球磨，球磨3h，充分混合，得到合金粉末，粉末粒径为240-300目。

（2）基体材料选用45钢，采用机械打磨去除氧化物，采用丙酮去除油污，并采用超声波酒精清洗。

（3）将步骤（1）得到的合金粉末材料均匀压制在步骤（2）处理后的基体材料表面，行成预制层，预制层厚度为1.2mm，干燥后通过激光熔覆即可获得熔覆层，进行激光熔覆时的工艺参数为：激光功率4000W，扫描速度350mm/min，光斑直径3mm、离焦量20mm、保护气体采用氩气，气体流量11L/min。

本实施例激光熔敷后的熔覆层采用王水进行腐蚀，获得了熔敷层金相照片，如图4所示，可知熔覆层结构致密；采用HVS-1000A型显微硬度仪测量熔覆层的显微硬度，其中熔覆层与母材分别不同位置测量五个值，并去除最大与最小值之后取平均值，实验结果所示，激光熔敷后平均硬度达到895HV，较母材得到显著提高，具体如下表所示。

实施例5

本实施例所述高熵合金材料由Fe、Co、V、W、Nb和Sc六种单质粉末组成，各组分的摩尔比为：1:1:1:1:1:0.04，并采用分析电子称称取各种金属元素粉末，金属粉末的总质量为50g，金属粉末的质量分别为：Fe：6.29496g，Co：6.63219g、V：5.73291g，W：10.45414g，Nb：20.68345g，Sc：0.20235g。

本实施例所述高熵合金材料熔覆层的制备方法，包括以下步骤：

（1）将各个粉末混合后，进行真空球磨，球磨3h，充分混合，得到合金粉末，粉末粒径为180-260目。

（2）基体材料选用45钢，采用机械打磨去除氧化物，采用丙酮去除油污，并采用超声波酒精清洗。

（3）将步骤（1）得到的合金粉末材料均匀压制在步骤（2）处理后的基体材料表面，行成预制层，预制层厚度为1.3mm，干燥后通过激光熔覆即可获得熔覆层，进行激光熔覆时的工艺参数为：激光功率4000W，扫描速度270mm/min，光斑直径3mm、离焦量20mm、保护气体采用氩气，气体流量13L/min。

本实施例激光熔敷后的熔覆层采用王水进行腐蚀，获得了熔敷层金相照片，如图5所示，可知熔覆层结构致密；采用HVS-1000A型显微硬度仪测量熔覆层的显微硬度，其中熔覆层与母材分别不同位置测量五个值，并去除最大与最小值之后取平均值，实验结果所示，激光熔敷后平均硬度达到906HV，较母材得到显著提高，具体如下表所示。