CN111850550A - 一种激光熔覆用wc增强高熵合金粉末及覆层制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光熔覆用WC增强高熵合金粉末及覆层制备方法，该WC增强高熵合金粉末由以下各物质组成：铁、钴、铬、镍、硅、硼、碳化钨、氧化钇。覆层的制备方法为：将上述激光熔覆用高熵合金粉末混合后置入球磨机中球磨后，利用预置粉末熔覆或同步送粉熔覆的方式，用1～2KW的红宝石激光器或CO2激光器进行多道激光熔覆，进行覆层制备。本发明能够实现覆层与基体的良好冶金结合，可用于制备含有强化相的细晶合金覆层，可用于高抗裂、耐高温、耐磨损、耐腐蚀覆层的高精度制造和再制造。使用本发明制备合金覆层，可以大大降低使用稀土金属制备合金覆层的生产成本，具有重要的经济价值和推广意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种合金粉末及方法，尤其涉及一种激光熔覆用WC增强高熵合金粉末及覆层制备方法。
背景技术
激光熔覆技术是上世纪70年代新兴的一种新型表面工程技术，它通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝，可以使基层表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层。该熔覆层可以显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化性及电气特性，从而达到表面改性或修复的目的，既满足了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素，因此，激光熔覆技术的应用前景非常广阔。
激光熔覆用的熔覆材料通常以粉、丝、板的形式加入，其中以粉末的形式最为常用。现有技术中的合金粉末大多采用稀土元素为主要体系，如钕，锆和钽等，具有开发应用成本较高的缺陷，而且随着材料应用场景的增多，人们对机械设备及零件材料的耐腐蚀性要求也越来越高，现有的合金粉末已不能满足人们对覆层耐腐蚀性的需要。
高熵合金又称多主元高混乱度合金，要求主要合金元素的种类为5种或者5种以上，并且每种组元的含量在5％以上。高熵效应使合金易于产生固溶体相，导致其硬度、强度及耐磨性的提升空间受到限制；此外，高熵合金在激光熔覆过程中，容易产生大量裂纹，使熔覆层的耐腐蚀性能大打折扣。
发明内容
为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种激光熔覆用WC增强高熵合金粉末及覆层制备方法。
为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种激光熔覆用WC增强高熵合金粉末，由以下质量百分比的各物质组成：
进一步地，该WC增强高熵合金粉末各组分的质量百分比为：
进一步地，该WC增强高熵合金粉末各组分的质量百分比为：
一种激光熔覆用WC增强高熵合金粉末的覆层制备方法，具体如下：
将上述的激光熔覆用WC增强高熵合金粉末置入球磨机，并在氩气保护作用下进行球磨1～2h，球磨转速为300～400r/min；
球磨结束后，将粉末预置于45钢或65Mn钢基体上，预置厚度为400～800μm，粘结剂采用松香酒精溶液或玻璃水；
将预置层烘干后，采用1～2KW的红宝石激光器或CO2激光器进行多道激光熔覆，所用的工艺参数范围为：1.2～1.6KW的激光功率，150～300mm/min的扫描速度，熔覆时，采用惰性气体Ar或He气保护。
一种激光熔覆用WC增强高熵合金粉末的覆层制备方法，具体如下：
将上述激光熔覆用WC增强高熵合金粉末置入球磨机，并在氩气保护作用下进行球磨1～2h，球磨转速为300～400r/min；球磨结束后，用筛粉机筛出粒度范围为150～300目的粉末作为成品粉；随后在45钢或65Mn钢基体上进行同步送粉激光熔覆，采用1～2KW的红宝石激光器或CO2激光器进行多道熔覆，所用的工艺参数为：1.2～1.6KW的激光功率，150～300mm/min的扫描速度，6～10g/min的送粉速率，熔覆时，采用惰性气体Ar或He气保护。
本发明公开了一种激光熔覆用WC增强高熵合金粉末，该WC增强高熵合金粉末是碳化钨(WC)强化的激光熔覆用高熵合金粉末，采用该粉末可获得覆层的相结构为WC颗粒增强的固溶体结构，因此覆层具有高硬度、耐常温磨损和高温磨损等优点；同时具有细晶效应的氧化钇(Y2O3)颗粒，采用该颗粒可获得晶粒细化的熔覆层，在提高覆层强度和硬度的同时，显著提高覆层的韧性和抗裂性；
本发明还提供了一种激光熔覆用WC增强高熵合金粉末的覆层制备方法，利用该制备方法得到的覆层中主要元素的含量符合名义上的高熵合金定义，覆层无裂纹产生，因此覆层具有优异的耐腐蚀性能，这种高熵合金覆层尤其适用于极端服役环境下的关键零部件的表面熔覆，具有重要的生产意思和推广价值。
附图说明
图1为本发明实施例1-3中X射线衍射法物相检测结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明公开了一种激光熔覆用WC增强高熵合金粉末，由以下质量百分比的各物质组成：
进一步地，该WC增强高熵合金粉末各组分的质量百分比为：
进一步地，该WC增强高熵合金粉末各组分的质量百分比为：
本发明所公开的激光熔覆用WC增强高熵合金粉末是一种WC强化的激光熔覆用高熵合金粉末，采用纯度高于99.7％的钴、铁、铬、镍、硅、硼、碳化钨(WC)和氧化钇(Y2O3)粉末配制而成。相比于现有的高熵合金材料中常用到的铌(Nb)、锆(Zr)等贵金属材料，本发明采用的粉末原料均为价格低廉的普通粉末，获取简单，且大大降低了制备合金覆层的生产成本；同时，本发明考虑了激光熔覆过程中基体材料对覆层的稀释和合金元素的烧损，通过元素成分的调整获得了名义上的高熵合金覆层；还考虑到添加WC和Y2O3对熔池流动性的影响，严格控制了合金中WC和Y2O3的含量。
由此，通过合理的配伍获得了本发明的WC强化的激光熔覆用高熵合金粉末，采用该合金粉末可获得覆层的相结构为WC颗粒增强的固溶体结构，使得覆层具有高硬度、耐常温磨损和高温磨损等优点；同时，该合金粉末具有细晶效应的Y2O3颗粒，采用该颗粒可获得晶粒细化的熔覆层，在提高覆层强度和硬度的同时，显著提高覆层的韧性和抗裂性；并且，制备得到的覆层中主要元素的含量符合名义上的高熵合金定义，覆层无裂纹产生，因此覆层具有优异的耐腐蚀性能。
本发明还公开了该WC强化的激光熔覆用高熵合金粉末的覆层制备方法，具体如下：
依次称取对应质量的钴、铁、铬、镍、硅、硼、碳化钨和氧化钇粉；将称好的上述组分混匀后放入球磨机中，在氩气保护作用下进行球磨，球磨时间为1～2h，球磨转速为300～400r/min；
采用上述粉末制备机构熔覆层(预置粉末熔覆)：先用磨床对45钢或65Mn钢基材表面进行机加工，保证表面光滑平整；再使用丙酮清洗去除表面油污和脏物，将合金粉末预置在钢基材表面，预置厚度为400～800μm，粘结剂采用松香酒精溶液或玻璃水；然后放入干燥箱中进行烘干处理，取出烘干的钢基材和预置层，采用1～2KW的红宝石激光器或CO2激光器进行多道激光熔覆，所用的工艺参数范围为：1.2～1.6KW的激光功率，150～300mm/min的扫描速度，熔覆时，采用惰性气体Ar或He气保护。
同时，该WC强化的激光熔覆用高熵合金粉末的覆层制备方法，还可以采用具体如下所示的方法：
依次称取对应质量的钴、铁、铬、镍、硅、硼、碳化钨和氧化钇粉；将称好的上述组分混匀后放入球磨机中，在氩气保护作用下进行球磨，球磨时间为1～2h，球磨转速为300～400r/min；
采用上述粉末制备机构熔覆层(同步送粉熔覆)：球磨结束后，由筛粉机筛出粒度为150～300目的粉体作为成品粉。先用磨床对45钢或65Mn钢基材表面进行机加工，保证表面光滑平整；再使用丙酮清洗去除表面油污和脏物。采用1～2KW的红宝石激光器或CO2激光器进行多道熔覆，所用的工艺参数为：1.2～1.6KW的激光功率，150～300mm/min的扫描速度，6～10g/min的送粉速率，熔覆时，采用惰性气体Ar或He气保护。
由于采用了上述技术方案，本发明能够实现覆层与基体的良好冶金结合，能够在提高覆层强度、硬度和耐磨性的前提下，增强高熵合金熔覆层的抗裂性，制备出的合金覆层具有优异的耐腐蚀性。这种高熵合金覆层尤其适用于极端服役环境下的关键零部件的表面熔覆，具有重要的生产意思和推广价值。
下面通过具体实施例对本发明的应用效果作进一步地阐述。
【实施例一】
本实施例公开了一种WC强化的激光熔覆用高熵合金粉末及覆层制备方法。
WC强化的激光熔覆用高熵合金粉末由以下质量百分比的各物质组成：
使用该WC强化的激光熔覆用高熵合金粉末进行覆层制备的方法具体为：
按照上述质量分数进行合金粉末的配置，将所配置的粉末放入球磨机中，在氩气保护作用下进行球磨，球磨时间为1～2h，球磨转速为300～400r/min，从而起到预合金化的作用。球磨结束后，将合金粉末预置在45钢基材表面，预置厚度为400μm，粘结剂采用松香酒精溶液或玻璃水；然后放入干燥箱中进行烘干处理，取出烘干的钢基材和预置层，采用1～2KW的红宝石激光器或CO2激光器进行多道激光熔覆，所用的工艺参数范围为：1.2～1.6KW的激光功率，150～300mm/min的扫描速度，熔覆时，采用惰性气体Ar或He气保护。
【实施例二】
本实施例公开了一种WC强化的激光熔覆用高熵合金粉末及覆层制备方法。
WC强化的激光熔覆用高熵合金粉末由以下质量百分比的各物质组成：
使用该WC强化的激光熔覆用高熵合金粉末进行覆层制备的方法具体为：
按照上述质量分数进行合金粉末的配置，将所配置的粉末放入球磨机中，在氩气保护作用下进行球磨，球磨时间为1～2h，球磨转速为300～400r/min，从而起到预合金化的作用。球磨结束后，将合金粉末预置在45钢基材表面，预置厚度为400μm，粘结剂采用松香酒精溶液或玻璃水；然后放入干燥箱中进行烘干处理，取出烘干的钢基材和预置层，采用1～2KW的红宝石激光器或CO2激光器进行多道激光熔覆，所用的工艺参数范围为：1.2～1.6KW的激光功率，150～300mm/min的扫描速度，熔覆时，采用惰性气体Ar或He气保护。
【实施例三】
本实施例公开了一种WC强化的激光熔覆用高熵合金粉末及覆层制备方法。
WC强化的激光熔覆用高熵合金粉末由以下质量百分比的各物质组成：
使用该WC强化的激光熔覆用高熵合金粉末进行覆层制备的方法具体为：
按照上述质量分数进行合金粉末的配置，将所配置的粉末放入球磨机中，在氩气保护作用下进行球磨，球磨时间为1～2h，球磨转速为300～400r/min，从而起到预合金化的作用。球磨结束后，将合金粉末预置在45钢基材表面，预置厚度为400μm，粘结剂采用松香酒精溶液或玻璃水；然后放入干燥箱中进行烘干处理，取出烘干的钢基材和预置层，采用1～2KW的红宝石激光器或CO2激光器进行多道激光熔覆，所用的工艺参数范围为：1.2～1.6KW的激光功率，150～300mm/min的扫描速度，熔覆时，采用惰性气体Ar或He气保护。
【实施例四】
本实施例公开了一种WC强化的激光熔覆用高熵合金粉末及覆层制备方法。
WC强化的激光熔覆用高熵合金粉末由以下质量百分比的各物质组成：
使用该WC强化的激光熔覆用高熵合金粉末进行覆层制备的方法具体为：
按照上述质量分数进行合金粉末的配置，将所配置的粉末放入球磨机中，在氩气保护作用下进行球磨，球磨时间为1～2h，球磨转速为300～400r/min，从而起到预合金化的作用。球磨结束后，由筛粉机筛出粒度为150～300目的粉体作为成品粉。随后采用1～2KW的红宝石激光器或CO2激光器在45钢基体表面进行同步送粉多道熔覆，所用的工艺参数为：1.2～1.6KW的激光功率，150～300mm/min的扫描速度，6～10g/min的送粉速率，熔覆时，采用惰性气体Ar或He气保护。
【实施例五】
使用该WC强化的激光熔覆用高熵合金粉末进行覆层制备的方法具体为：
按照上述质量分数进行合金粉末的配置，将所配置的粉末放入球磨机中，在氩气保护作用下进行球磨，球磨时间为1～2h，球磨转速为300～400r/min，从而起到预合金化的作用。球磨结束后，由筛粉机筛出粒度为150～300目的粉体作为成品粉。随后采用1～2KW的红宝石激光器或CO2激光器在45钢基体表面进行同步送粉多道熔覆，所用的工艺参数为：1.2～1.6KW的激光功率，150～300mm/min的扫描速度，6～10g/min的送粉速率，熔覆时，采用惰性气体Ar或He气保护。
【实施例六】
本实施例公开了一种WC强化的激光熔覆用高熵合金粉末及覆层制备方法。
WC强化的激光熔覆用高熵合金粉末由以下质量百分比的各物质组成：
使用该WC强化的激光熔覆用高熵合金粉末进行覆层制备的方法具体为：
按照上述质量分数进行合金粉末的配置，将所配置的粉末放入球磨机中，在氩气保护作用下进行球磨，球磨时间为1～2h，球磨转速为300～400r/min，从而起到预合金化的作用。球磨结束后，由筛粉机筛出粒度为150～300目的粉体作为成品粉。随后采用1～2KW的红宝石激光器或CO2激光器在45钢基体表面进行同步送粉多道熔覆，所用的工艺参数为：1.2～1.6KW的激光功率，150～300mm/min的扫描速度，6～10g/min的送粉速率，熔覆时，采用惰性气体Ar或He气保护。
下面通过能谱分析(EDS)检测和X射线衍射(XRD)检测的结果对上述实施例1-6作进一步说明。
通过能谱分析(EDS)检测结果判断制备的合金熔覆层是否为名义高熵合金覆层，通过X射线衍射(XRD)检测结果判断制备的合金覆层的物相组成，通过覆层显微硬度分布特征判断覆层的力学性能特征。
首先，如表1所示是实施例1-6中覆层的EDS检测结果，即覆层中各元素的原子百分含量。根据表1的检测结果可知，覆层中B、C和Si元素的烧损比较严重，实施例1和4中均无法满足名义高熵合金的定义,虽然，实施例1和4的覆层无法满足名义高熵合金的定义，但并不影响合金粉末本身满足高熵合金的定义，并且，实施例1和实施例4中碳化钨的含量较高，使得覆层的硬度会大大提高，在对硬度需求较高的使用情况下，实施例1和实施例4的覆层仍具有很好的实际应用意义；实施例2、3、5、6中Fe、Co、Cr、Ni和W的含量均高于5％，满足名义高熵合金的定义。
其次，如图1所示展现了实施例1-3的XRD检测结果，从图中可以看出，熔覆层的物相组成与WC含量密切相关。当WC含量较低时，如实施例3，覆层由面心立方γ(Fe,Ni)和体心立方α(Fe,Co)固溶体组成；而当WC含量较高时，如实施例2，除了这两种固溶体之外，覆层中产生了碳化物的强化相，这证明了覆层中WC的强化作用；而当WC含量继续提高时，如实施例1，覆层实际转变为Fe基合金，覆层中产生了多种化合物,从而起到进一步的强化作用。对于实施例4-6，由于其配比与实施例1-3相同，在理论上，XRD检测结果的趋势应与图1相似，因此，未进行展现。
表1实施例1-6中覆层的EDS检测结果
本发明通过合理的配方设计结合制粉及激光熔覆技术，可得到成形良好且无裂纹的合金覆层。高熵合金由多组元构成，形成的固溶体晶格畸变较大，加上在WC作用下，位错滑移阻力较大，强度提高；硼元素能与大多数合金形成低熔点共晶组织，本发明中通过添加硼和硅元素来改善自熔性，可以大大改善覆层成形效果。当Y2O3含量较高时，覆层晶粒尺寸明显细化。此外，硅、硼等元素可在激光熔覆过程中对熔池内部起到脱氧作用，从而实现覆层与基体的良好冶金结合，熔覆效率更高。
上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种激光熔覆用WC增强高熵合金粉末，其特征在于：该WC增强高熵合金粉末由以下质量百分比的各物质组成：
2.根据权利要求1所述的激光熔覆用WC增强高熵合金粉末，其特征在于：该WC增强高熵合金粉末各组分的质量百分比为：
3.根据权利要求1所述的激光熔覆用WC增强高熵合金粉末，其特征在于：该WC增强高熵合金粉末各组分的质量百分比为：
4.一种如权利要求1-3任一项所述的激光熔覆用WC增强高熵合金粉末的覆层制备方法，其特征在于：该覆层制备方法具体如下：
将上述的激光熔覆用WC增强高熵合金粉末置入球磨机，并在氩气保护作用下进行球磨1～2h，球磨转速为300～400r/min；
球磨结束后，将粉末预置于45钢或65Mn钢基体上，预置厚度为400～800μm，粘结剂采用松香酒精溶液或玻璃水；
将预置层烘干后，采用1～2KW的红宝石激光器或CO2激光器进行多道激光熔覆，所用的工艺参数范围为：1.2～1.6KW的激光功率，150～300mm/min的扫描速度，熔覆时，采用惰性气体Ar或He气保护。
5.一种如权利要求1-3任一项所述的激光熔覆用WC增强高熵合金粉末的覆层制备方法，其特征在于：该覆层制备方法具体如下：
将上述激光熔覆用WC增强高熵合金粉末置入球磨机，并在氩气保护作用下进行球磨1～2h，球磨转速为300～400r/min；球磨结束后，用筛粉机筛出粒度范围为150～300目的粉末作为成品粉；随后在45钢或65Mn钢基体上进行同步送粉激光熔覆，采用1～2KW的红宝石激光器或CO2激光器进行多道熔覆，所用的工艺参数为：1.2～1.6KW的激光功率，150～300mm/min的扫描速度，6～10g/min的送粉速率，熔覆时，采用惰性气体Ar或He气保护。
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