CN112663049A

CN112663049A - 一种耐高温磨损的碳化物复合高熵合金及其激光熔覆制备方法

Info

Publication number: CN112663049A
Application number: CN202011407785.6A
Authority: CN
Inventors: 马群双; 董正学; 蔡沧龙; 张晖; 张原野; 孟威; 尹孝辉
Original assignee: Anhui University of Technology AHUT
Current assignee: Anhui University of Technology AHUT
Priority date: 2020-12-04
Filing date: 2020-12-04
Publication date: 2021-04-16
Anticipated expiration: 2040-12-04
Also published as: CN112663049B

Abstract

本发明公开了高熵合金技术领域的一种耐高温磨损的碳化物复合高熵合金及其激光熔覆制备方法，包括杂合粉末和非金属粉末，杂合粉末中Ni、Co、Fe、Cr、Si、Mo的物质的量之比为Ni：Co：Fe：Cr：Si：Mo＝(0.8‑1)：(0.8‑1):(0.8‑1)：(0.8‑1)：(0.6‑1)：(0.8‑1.5)，非金属粉末包括B和WC，B占杂合粉末总质量的0.5％‑2％，WC占杂合粉末总质量的40％‑60％；本发明制得的高熵合金熔覆层利用WC作为碳源，经过激光熔池高温的合金化反应，在高熵合金基体中引入W元素，形成NiCoFeCrMoSiBW多元合金体系，由于大尺寸W元素的互溶，合金固溶强化效应进一步增强，截面金相组织中M₆C型碳化物占比可以达到60％以上，显著提高硬度和高温磨损性能。

Description

一种耐高温磨损的碳化物复合高熵合金及其激光熔覆制备方法

技术领域

本发明涉及高熵合金技术领域，具体为一种耐高温磨损的碳化物复合高熵合金及其激光熔覆制备方法。

背景技术

高熵合金作为当今材料领域的一个新的研究热点，相较于传统合金其力学性能、化学性能及物理性能都有较大提升，如具有高强度、高硬度、优异的耐磨损、耐腐蚀性等，成为粉末冶金领域的研究热点。高熵合金又称多主元合金，一般由5种以上元素构成，每种元素的摩尔比近等成分，使合金的最终性能由多种主元共同作用来决定。通过设计多种元素与成分的组合可以使高熵合金具有热力学上的高熵效应、动力学上的缓慢扩散效应、结构上的晶格畸变效应和组织上的稳定性。一般高熵合金倾向于形成结构简单的多组元固溶体，如fcc面心立方结构或者bcc体心立方结构。由于加入的原子尺寸不同，在晶格中产生严重畸变，固溶强化效应强烈，由此带来了高强度、优异的耐磨性等性能优势。但相比耐磨钢、耐磨陶瓷等材料，现有高熵合金由于固溶体基体性能的限制，在硬度和耐磨性方面仍存在较大提升空间，尤其是高温磨损性能存在一定不足。

中国发明专利CN 103290404 A公开了一种激光熔覆用高熵合金粉末，该高熵合金粉末成分为Fe-Cr-Ni-Co-Mn-Si-B-Al，并设计了上述激光熔覆用高熵合金粉末的制备方法。该发明设计的高熵合金不含有碳化物，主要是利用B元素提高了高熵合金涂层硬度，贵金属含量较多，成本较高。

中国发明专利CN 109022990 A公开了一种高熵合金粘结相Ti(C,N)基金属陶瓷的制备方法，采用间歇式行星球磨制备出Co:Ni:Fe:Cu:Mn的非晶态的高熵合金粘结相粉末，然后将非晶态的高熵合金粘结相粉末与硬质相粉末进行滚筒式球磨混合，最后采用1400-1450℃微波烧结。中国发明专利CN 109338199 A公开了一种陶瓷颗粒增强的高熵合金的制备方法。该发明中，陶瓷颗粒与高熵合金粉末首先进行球磨混合，然后进行预压成型，最后进行烧结。以上两个公开文件均采用烧结工艺制备合金，而烧结制备的高熵合金具有一定的孔隙率，致密性存在不足。此外，外加陶瓷相与高熵合金混合时需要经过较长的球磨过程，效率较低，且混合均匀性不足。

综上，亟需开发一种新的低成本、工艺简单、致密性高、具有良好硬度和耐磨性，尤其是耐高温磨损的碳化物复合高熵合金和制备工艺。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐高温磨损的碳化物复合高熵合金及其激光熔覆制备方法，以解决上述背景技术中提出问题。

为实现上述目的，本发明提供如下方案予以实现：一种耐高温磨损的碳化物复合高熵合金，包括杂合粉末和非金属粉末，所述杂合粉末中Ni、Co、Fe、Cr、Si、Mo的物质的量之比为Ni：Co：Fe：Cr：Si：Mo＝(0.8-1)：(0.8-1):(0.8-1)：(0.8-1)：(0.6-1)：(0.8-1.5)，且杂合粉末总质量为30g，所述非金属粉末包括B和WC，所述B占杂合粉末总质量的0.5％-2％，所述WC占杂合粉末总质量的40％-60％。

优选的，所述杂合粉末中Ni、Co、Fe、Cr、Si、Mo的物质的量之比为Ni：Co：Fe：Cr：Si：Mo＝1：1：1：1：0.8：0.8，且杂合粉末总质量为30g，所述非金属粉末包括B和WC，所述B占杂合粉末总质量的0.8％，所述WC占杂合粉末总质量的40％。

优选的，所述Ni、Co、Fe、Cr、Si、Mo粉末的粒度均在250-400目，且Ni、Co、Fe、Cr、Si、Mo粉末的纯度均大于99.7％。

优选的，所述B粉末的粒度为400目，且B粉末的纯度为99.9％。

优选的，所述WC粉末的粒度为350目，且WC粉末的纯度大于99.5％。

本发明还提供了一种耐高温磨损的碳化物复合高熵合金的激光熔覆制备方法，具体包括以下步骤：

(1)将杂合粉末和非金属粉末按比例称量后放入球磨机中，球磨30-60min，得到合金粉末；

(2)将Q235基体材料切割为10cm×10cm×1cm试块，去除氧化皮和油渍，得到处理基体；

(3)将合金粉末以无水乙醇混合后均匀预置在处理基体的表面，预置厚度为0.5-1mm，接着，充分干燥后采用半导体激光器进行激光熔覆并自然冷却到室温，形成耐高温磨损的碳化物复合高熵合金的熔覆层。

优选的，所述步骤(1)中，球磨采用直径5mm的WC-Co球，球料比为3：1。

优选的，所述步骤(1)中，合金粉末的粒度在300-400目。

优选的，所述步骤(3)中，激光功率1.5-3.5kW，激光扫描速度1.5-10.0mm/s，光斑直径2.0mm，焦距140mm，离焦量±5mm，熔覆过程采用纯度99.9％的氩气保护，气体流量12-25L/min。

本发明的有益效果是：

本发明制得的高熵合金熔覆层利用WC作为碳源，经过激光熔池高温的合金化反应，在高熵合金基体中引入W元素，形成NiCoFeCrMoSiBW多元合金体系，由于大尺寸W元素的互溶，合金固溶强化效应进一步增强；

本发明通过引入C元素，在熔池中原位反应形成大量M₆C型碳化物，显微组织分析表明熔覆层截面上碳化物面积分数可以达到60％以上，不仅可以起到提高硬度的作用，在高温磨损下还可以有效抵抗氧化、剥落，提高高温耐磨性；

本发明所设计的高熵合金在原始组分中加入熔池反应物碳化钨的质量分数可以达到50％以上，比起目前的高熵合金材料大大减少了Co、Ni等高成本合金的含量，在保证了优良的综合性能的同时具有更加低廉的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为熔覆层表面形貌；

图2为熔覆层显微组织；

图3为熔覆层的XRD物相组成；

图4为熔覆层600℃高温磨损后合金的表面形貌。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种耐高温磨损的碳化物复合高熵合金，包括杂合粉末和非金属粉末，杂合粉末中Ni、Co、Fe、Cr、Si、Mo的物质的量之比为Ni：Co：Fe：Cr：Si：Mo＝1：1：1：1：0.8：0.8，且杂合粉末总质量为30g，非金属粉末包括B和WC，B占杂合粉末总质量的0.8％，WC占杂合粉末总质量的40％。

Ni、Co、Fe、Cr、Si、Mo粉末的粒度均在300目，且Ni、Co、Fe、Cr、Si、Mo粉末的纯度均大于99.7％；B粉末的粒度为400目，且B粉末的纯度为99.9％；WC粉末的粒度为300目，且WC粉末的纯度为99.7％。

上述耐高温磨损的碳化物复合高熵合金的激光熔覆制备方法，具体包括以下步骤：

(1)将杂合粉末和非金属粉末按比例称量后放入球磨机中，球磨采用直径5mm的WC-Co球，球料比为3：1，球磨45min，得到合金粉末；

(2)将Q235基体材料切割为10cm×10cm×1cm试块，机械打磨去除氧化皮和油渍，得到处理基体；

(3)将合金粉末和无水乙醇混合后均匀预置在处理基体的表面，预置厚度为1mm，接着，充分干燥后采用半导体激光器进行激光熔覆并自然冷却到室温，形成耐高温磨损的碳化物复合高熵合金的熔覆层。

步骤(1)中，合金粉末的粒度在300-400目；步骤(3)中，激光功率2kW，激光扫描速度5mm/s，光斑直径2.0mm，焦距140mm，离焦量0mm，熔覆过程采用纯度99.9％的氩气保护，气体流量16L/min。

实施例2

一种耐高温磨损的碳化物复合高熵合金，包括杂合粉末和非金属粉末，杂合粉末中Ni、Co、Fe、Cr、Si、Mo的物质的量之比为Ni：Co：Fe：Cr：Si：Mo＝1：1：1：1：0.6：1，且杂合粉末总质量为30g，非金属粉末包括B和WC，B占杂合粉末总质量的1％，WC占杂合粉末总质量的50％。

(1)将杂合粉末和非金属粉末按比例称量后放入球磨机中，球磨采用直径5mm的WC-Co球，球料比为3：1，球磨60min，得到合金粉末；

步骤(1)中，合金粉末的粒度在300-400目；步骤(3)中，激光功率2.5kW，激光扫描速度4mm/s，光斑直径2.0mm，焦距140mm，离焦量0mm，熔覆过程采用纯度99.9％的氩气保护，气体流量20L/min。

实施例3

一种耐高温磨损的碳化物复合高熵合金，包括杂合粉末和非金属粉末，杂合粉末中Ni、Co、Fe、Cr、Si、Mo的物质的量之比为Ni：Co：Fe：Cr：Si：Mo＝1：1：1：1：1：1.5，且杂合粉末总质量为30g，非金属粉末包括B和WC，B占杂合粉末总质量的1.2％，WC占杂合粉末总质量的60％。

步骤(1)中，合金粉末的粒度在300-400目；步骤(3)中，激光功率3.2kW，激光扫描速度3mm/s，光斑直径2.0mm，焦距140mm，离焦量0mm，熔覆过程采用纯度99.9％的氩气保护，气体流量25L/min。

结果检测

1、试验方法：将实施例1-3中的熔覆合金切割金相试样，分别经王水的腐蚀后检验金相组织和硬度，其中高温磨损实验，对磨材料M2高速钢，载荷100N，磨损后检验磨损表面形貌，得到失重。具体检测结果如表1所示。

表1检测性能

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该一种高强度制动钳密封件的制备方法仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims

1.一种耐高温磨损的碳化物复合高熵合金，其特征在于，包括杂合粉末和非金属粉末，所述杂合粉末中Ni、Co、Fe、Cr、Si、Mo的物质的量之比为Ni：Co：Fe：Cr：Si：Mo＝(0.8-1)：(0.8-1):(0.8-1)：(0.8-1)：(0.6-1)：(0.8-1.5)，且杂合粉末总质量为30g，所述非金属粉末包括B和WC，所述B占杂合粉末总质量的0.5％-2％，所述WC占杂合粉末总质量的40％-60％。

2.根据权利要求1所述的一种耐高温磨损的碳化物复合高熵合金，其特征在于，所述杂合粉末中Ni、Co、Fe、Cr、Si、Mo的物质的量之比为Ni：Co：Fe：Cr：Si：Mo＝1：1：1：1：0.8：0.8，且杂合粉末总质量为30g，所述非金属粉末包括B和WC，所述B占杂合粉末总质量的0.8％，所述WC占杂合粉末总质量的40％。

3.根据权利要求1所述的一种耐高温磨损的碳化物复合高熵合金，其特征在于，所述Ni、Co、Fe、Cr、Si、Mo粉末的粒度均在250-400目，且Ni、Co、Fe、Cr、Si、Mo粉末的纯度均大于99.7％。

4.根据权利要求1所述的一种耐高温磨损的碳化物复合高熵合金，其特征在于，所述B粉末的粒度为400目，且B粉末的纯度为99.9％。

5.根据权利要求1所述的一种耐高温磨损的碳化物复合高熵合金，其特征在于，所述WC粉末的粒度为350目，且WC粉末的纯度大于99.5％。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种耐高温磨损的碳化物复合高熵合金的激光熔覆制备方法，其特征在于，制备方法包括以下步骤：

(3)将合金粉末和无水乙醇混合后均匀预置在处理基体的表面，预置厚度为0.5-1mm，接着，充分干燥后采用半导体激光器进行激光熔覆并自然冷却到室温，形成耐高温磨损的碳化物复合高熵合金的熔覆层。

7.根据权利要求6所述的一种耐高温磨损的碳化物复合高熵合金的激光熔覆制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，球磨采用直径5mm的WC-Co球，球料比为3：1。

8.根据权利要求6所述的一种耐高温磨损的碳化物复合高熵合金的激光熔覆制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，合金粉末的粒度在300-400目。

9.根据权利要求6所述的一种耐高温磨损的碳化物复合高熵合金的激光熔覆制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，激光功率1.5-3.5kW，激光扫描速度1.5-10.0mm/s，光斑直径2.0mm，焦距140mm，离焦量±5mm，熔覆过程采用纯度99.9％的氩气保护，气体流量12-25L/min。