一种激光熔化沉积制备Al1.2CoxCrFeNi高熵合金的方法

摘要

本发明公开一种激光熔化沉积制备Al 1.2CoxCrFeNi高熵合金的方法，其特征在于包括将Al、Co、Cr、Fe、Ni五种金属单质粉末按照原子比1.2:(2.2～2.8):1:1:1，球磨混合均匀后，真空干燥，配置为Al 1.2CoxCrFeNi高熵合金粉末，再将混合后的粉末通过同轴送粉的方式在不锈钢基板上采用激光进行多层多道激光沉积增材制备BCC/FCC双相块体高熵合金的具体方法，基于上述原子比例的混合粉末进行激光沉积能够生成BCC/FCC双相高熵合金组织，沉积的高熵合金块体经检测致密度良好，具有较高的压缩强度和拉伸强度。

说明书

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，尤其是涉及到一种激光熔化沉积制备Al1.2CoxCrFeNi高熵合金的方法。

背景技术

近年来，高熵合金作为新兴的一种多主元材料因其具有高硬度，高强度、高韧性，良好的耐磨性能和高的热稳定性等优异性能引起了国内外诸多材料学者的广泛关注。通常的材料科学理论认为添加的元素越多越容易形成金属间化合物等复杂相，不利于合金的性能。但是大量实验发现，三种或五种以上主元的合金可以形成稳定的固溶体相而不是多种复杂相。2004年，中国台湾学者叶均蔚教授等人率先摆脱传统合金制造理念，提出多主元合金设计理念，即“高熵合金”。不同于一般合金，多种元素的组合没有生成多相或金属间化合物，而生成了BCC、 FCC、HCP等简单固溶体相，叶教授把此种现象归因于多主元系统的热力学约束所产生的高混合熵。

目前，高熵合金的制备方法多以传统的真空电弧熔炼和熔铸技术为主。研究发现，电弧熔炼的制备的高熵合金具有简单的固溶体结构和优良的力学性能。而电弧熔炼冷却速度较慢，制备的合金容易出现宏观偏析、缩孔等缺陷，而且电弧熔炼方法及熔铸方法制备复杂零件周期较长，原料利用率低，成本高。因此，随着增材制造技术的发展，近年来利用3D打印技术成型高熵合金的研究受到各国学者的青睐。激光熔化沉积增材技术因其具有快速熔化后又快速凝固的特点，容易获得细小的晶粒组织，可以有效地抑制偏析、成分不均匀等现象，从而能够制备性能更加优异的块体合金。

发明内容

本发明针对现有的传统制备工艺的不足，提供了一种激光熔化沉积制备Al1.2CoxCrFeNi高熵合金的方法，制备出的块体高熵合金致密度良好，具有较高的硬度、压缩强度和拉伸强度。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种激光熔化沉积制备Al1.2CoxCrFeNi高熵合金的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)将不锈钢基板在激光沉积前先用角磨机打磨光滑、干净，确保表面无氧化物、油污等不利于沉积的物质，之后用无水乙醇进行清洗，然后放入干燥箱中干燥备用；

2)配置由Al、Co、Cr、Fe、Ni五种金属单质粉末的激光增材制造用高熵合金粉末，所述高熵合金粉末的五种金属单质粉末的原子比为1.2:(2.2～ 2.8):1:1:1，且Al、Co、Cr、Fe、Ni纯度≥99.5％，粒度在150目-300目；

3)将配置好的五种金属单质粉末放入行星式球磨机中以转速100r/min球磨4 小时使粉末混合均匀，再将球磨好的混合粉末放入真空干燥箱中，在120℃下干燥两个小时然后取出备用；

4)设定以纯度为99.99％的氩气作为惰性保护气且确保充足，光斑直径为 1mm～6mm，激光搭接率为40％～50％，激光功率为1500W～2500W,扫描速度为 5mm/s～15mm/s,送粉速度为0.6rad/min～1.2rad/min，保护气流量为15～ 25L/min；

5)设定完成后，启动设备通过同轴送粉的方式在纯度为99.99％的氩气保护下在304不锈钢基板上进行多层多道沉积，最终得到Al1.2CoxCrFeNi高熵合金块体。

进一步的，所述步骤3)的配置还包括将五种金属单质粉末投入行星式球磨机不锈钢罐中，并放入与粉末体积大致相同的直径分别为5mm和8mm的氧化铝球配合加工，其中5mm氧化铝球和8mm氧化铝球的质量比为3:7

有益技术效果：

与传统熔铸技术相比，本发明将Al、Co、Cr、Fe、Ni五种金属单质粉末按照原子比1.2:(2.2～2.8):1:1:1并采用球磨均匀混合、真空干燥后配置成 Al1.2CoxCrFeNi高熵合金粉末，再将混合后的粉末通过同轴送粉的方式在不锈钢基板上采用激光进行多层多道激光沉积增材制备BCC/FCC双相块体高熵合金，通过此方法得到的BCC/FCC双相块体高熵合金产品其致密度良好，具有较高压缩强度和拉伸强度等力学性能，为制造高熵合金复杂零部件奠定了坚实的基础。

附图说明

图1为实施例1中得到的Al1.2Co2.2CrFeNi高熵合金的样品图。

图2为实施例2中得到的Al1.2Co2.8CrFeNi高熵合金的样品图。

图3为实施例1中得到的Al1.2Co2.2CrFeNi高熵合金的SEM图。

图4为实施例2中得到的Al1.2Co2.8CrFeNi高熵合金的SEM图。

图5为实施例1和实施例2中得到的Al1.2Co2.2CrFeNi高熵合金和Al1.2Co2.8CrFeNi高熵合金的XRD谱图。

图6为实施例1和实施例2中得到的Al1.2Co2.2CrFeNi高熵合金和Al1.2Co2.8CrFeNi高熵合金的硬度分布对比图。

图7为实施例1和实施例2中得到的Al1.2Co2.2CrFeNi高熵合金和Al1.2Co2.8CrFeNi高熵合金的压缩性能对比图。

图8为实施例1和实施例2中得到的Al1.2Co2.2CrFeNi高熵合金和Al1.2Co2.8CrFeNi高熵合金的拉伸性能对比图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1-8所示一种激光熔化沉积制备Al1.2CoxCrFeNi高熵合金的方法实施例1

一种激光熔化沉积制备Al1.2Co2.2CrFeNi高熵合金的方法，包括以下步骤：

1.将纯度≥99.5％的Al、Co、Cr、Fe、Ni五种金属单质粉末按照原子比为 1.2:2.2:1:1:1配置，将配置好的粉末放入行星式球磨机不锈钢罐中，在不锈钢罐中放入与粉末体积大致相同的直径分别为5mm和8mm的氧化铝球，其中5mm 氧化铝球和8mm氧化铝球的质量比为3:7，以100r/min的转速球磨4小时使粉末混合均匀。

2.将球磨好的混合粉末放入真空干燥箱中，在120℃下干燥两个小时然后取出备用。

3.使用角磨机将304不锈钢基板打磨干净，确保基板表面无氧化物、油污、钢锈等不利于沉积的杂质，之后用无水乙醇进行清洗，然后放入干燥箱中干燥备用。

4.将步骤2中的合金粉末倒入送粉器中并设定激光沉积工艺为：激光功率 2000W，扫描速度10mm/s，送粉速度1rad/min，光斑直径为4mm。在纯度为99.99％的氩气保护下在304不锈钢基板上进行多层多道沉积，最终得到Al1.2Co2.2CrFeNi高熵合金块体。

实施例2

一种激光熔化沉积制备Al1.2Co2.8CrFeNi高熵合金的方法，包括以下步骤：

1.将纯度≥99.5％的Al、Co、Cr、Fe、Ni五种金属单质粉末按照原子比为 1.2:2.2:1:1:1配置，将配置好的粉末放入行星式球磨机不锈钢罐中，在不锈钢罐中放入与粉末体积大致相同的直径分别为5mm和8mm的氧化铝球，其中5mm 氧化铝球和8mm氧化铝球的质量比为3:7，以100r/min的转速球磨4小时使粉末混合均匀。

2.将球磨好的混合粉末放入真空干燥箱中，在120℃下干燥两个小时然后取出备用。

3.使用角磨机将304不锈钢基板打磨干净，确保基板表面无氧化物、油污、钢锈等不利于沉积的杂质，之后用无水乙醇进行清洗，然后放入干燥箱中干燥备用。

4.将步骤2中的合金粉末倒入送粉器中并设定激光沉积工艺为：激光功率 2000W，扫描速度10mm/s，送粉速度1rad/min，光斑直径为4mm。在纯度为99.99％的氩气保护下在304不锈钢基板上进行多层多道沉积，最终得到 Al1.2Co2.8CrFeNi高熵合金块体。

对以上实施例的高熵合金进行硬度测试、压缩测试和拉伸测试。测试结果见表1。

硬度测试方法：采用HVS-1000Z型显微硬度仪来测量高熵合金块体，从上至下，每隔1mm打一个点，总共取25个点然后计算出平均硬度值。硬度仪的实验参数为：实验载荷为1000g，实验加载时间为15s。

压缩性能测试方法：压缩实验用圆柱形试样，直径为5mm，高度为10mm，上下两平面平行，使用计算机控制的机械试验机在室温下进行压缩，压缩速度设置为1mm/min。

拉伸性能测试方法：压缩实验尺寸如图8所示，压缩实验的样品厚度为2mm，使用计算机控制的机械试验机在室温下进行拉伸，拉伸速度为1mm/min。

表1实施例1和实施例2的Al1.2CoxCrFeNi高熵合金的性能

与传统熔铸技术相比，本发明运用激光高能量密度的特点实现了激光熔化沉积制备BCC/FCC双相Al1.2CoxCrFeNi高熵合金。得到的产品致密度良好，具有较好的力学性能，为制造高熵合金复杂零部件奠定了坚实的基础。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。