CN116024480A - 一种高熵合金材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高熵合金材料及其制备方法，由原子百分比为16％‑20％的Ti、33％‑38％的Mo、32％‑38％的Nb、17％‑22％的Cr金属粉末混合均匀并进行高能球磨得到TiMoNbCr高熵合金粉末，并预置在基体表面，干燥后通过激光熔敷加工即可获得熔覆层。本发明激光熔覆得到的涂层具有良好的宏观形貌，涂层与基材达到良好的冶金结合且具有高硬度、高耐摩擦磨损性能、高耐高温氧化性等特点。
Description
技术领域
本发明属于高熵合金涂层技术领域，具体涉及一种高熵合金材料及其制备方法。
背景技术
激光熔覆制备涂层是激光在表面技术领域中的新的应用,激光熔覆技术与其它制备涂层技术相比具有一些独特的优点，如涂层与基材冶金结合质量；涂层的厚度容易控制；良好涂层组织致密，激光熔化后形成的组织化学均匀性很高，而且晶粒非常细小,因而强化了合金,强度与硬度都有所上升。因此在表面处理领域内,对于激光覆的研究和开发是近年来的热门方向。
对于传统合金而言，是一种元素为主，通过添加少量其它元素来改善合金的性能，但受限于固溶度的影响，加入元素的数目总是很少，合金的性能已经无法满足航天，医疗设备等需求。而高熵合金的发现是人们对于高性能合金的制备的全新探索。高熵合金主元数n≥5,且每种元素含量在5％～35at％之间，但美国空军实验室Senkov博士认为NbMoTaW和NbTiVZr四元等原子比合金也是典型的高熵合金。
与传统合金相比，高熵合金具有以下特点：(1)更高的强度和硬度；(2)良好的抗腐蚀和抗疲劳性能；(3)热稳定性更好；(4)抗高温氧化能力强。
钛合金具有比强度高、密度低、抗腐蚀性能好及良好的生物相容性等优点,在航空航天、生物医疗、石油化工等领域具有广泛应用。随着科学发展和技术进步,对钛合金的综合性能要求也愈来愈高。然而钛合金摩擦因数高、高温抗氧化性能低、黏着磨损严重、耐磨性差且润滑难度大等缺点极大地限制了钛合金在实际应用中的使用范围。
难熔高熵合金是在高熵合金的基础上加入高熔点的难熔元素，如Ti、Cr、Nb、Zr等，其优异的耐高温性能作为耐热涂层已经吸引了科研工作者的投入研究，但目前关于难熔高熵合金的报道相对较少，主要是高熔点元素的加入导致在涂层制备过程更加难以控制，但难熔高熵合金的优异的抗高温氧化能力在实际应用方面具有很大意义。
因此，为了解决上述问题，本文提出一种高熵合金材料及其制备方法。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明设计了一种高熵合金材料及其制备方法，本发明激光熔覆得到的涂层具有良好的宏观形貌，涂层与基材达到良好的冶金结合且具有高硬度、高耐摩擦磨损性能、高耐高温氧化性等特点。
为了达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现的：一种高熵合金材料，其特征在于，由Ti、Mo、Nb、Cr四种金属元素粉末组成，各组分及其原子百分比为16％～20％的Ti、33％～38％的Mo、32％～38％的Nb、17％～22％的Cr，各个组分纯度均大于等于99。9％，粉末粒径为150-300目。
本发明的另一目的在于提供一种高熵合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
Step1：按比例称取原料粉末后充分混合，然后添加物质无水乙醇或正庚烷，进行高能球磨，得到的TiMoNbCr高熵合金粉；
Step2：将基体材料进行预处理，打磨去除氧化皮、油渍；
Step3：将Step1所得TiMoNbCr高熵合金粉预置在Step2所得基体表面形成预置层，预制层厚度为0。5～1。0mm，然后置于60～100℃恒温处理3～6小时，激光熔覆即可获得熔覆层。
进一步的，所述Step1中，当添加的物质为无水乙醇时，所述高能球磨的时间为3～5h；当添加的物质为正庚烷时，球磨时间为1～3h。
进一步的，所述高能球磨的球磨罐和磨球材质为不锈钢；球料比为8：1～12：1，球磨转速为250r/min～350r/min。
进一步的，所述Step2中的基体材料为钛合金TC4(Ti6-A14-V)。
进一步的，所述Step3中激光熔覆时的工艺参数为：激光功率1500～2000W,扫描速度600mm/min,光斑直径3～5mm、离焦量20mm、保护气体采用氩气，气体流量8～12L/min。
本发明的有益效果是：
(1)本发明中的TiMoNbCr高熵合金材料通过激光熔覆技术和基体达到冶金结合，基体与熔覆层具有较高的结合强度，且基体热变形小，稀释率低,零件报废率也较低；
(2)本发明中的TiMoNbCr高熵合金材料为有目的的调控不同的成分，从而得到预想的性能来面对不同的工况；
(3)本发明中的TiMoNbCr高熵合金材料经由激光熔覆后形成的熔覆层内为组织结构均匀的树枝晶，且熔覆层具有较高的硬度，高温抗氧化性、耐腐蚀性；
(4)采用激光熔覆法，具有制备效率高(快速加热和快速凝固)特点，所制备的涂层涂层厚度可调,厚度可以达到毫米级,仪器操作比较简单。
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为本发明实施例1激光熔覆组织图；
图2为本发明实施例1激光熔覆组织图；
图3为本发明实施例1激光熔覆的XRD谱图；
图4为本发明实施例1激光熔覆组织图；
图5为本发明实施例1激光熔覆树枝晶成分图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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
本实施例所述高熵合金材料由Ti、Mo、Nb、Cr四种金属元素粉末组成，各组分及其原子百分比为16％的Ti、34％的Mo、32％的Nb、18％的Cr,所有组分的质量百分比的总和为100％，采用电子称称取各金属粉末，混合粉末的总质量为60g。
本实施例所述高熵合金涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)将各个粉末混合后,进行高能球磨,球磨时间不少于1小时，充分混合，得到合金粉末，粉末粒径为150-300目；
(2)将基体材料打磨去除氧化皮、油渍；
(3)将步骤(1)得到的TiMoNbCr高熵合金粉预置在预处理基体表面形成预置层，预制层厚度为0.5-1.0mm,然后置于60℃恒温处理3小时，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2000W,扫描速度600mm/min,光斑直径5mm、离焦量20mm、保护气体采用氩气，气体流量8L/min。
本实例激光熔覆后高熵合金熔覆层用高倍号砂纸打磨至金相要求，用SEM进行拍摄观察,得到组织图如图1、图2所示；从图1、图2可知，熔覆层与基体结合良好，且熔覆层组织致密，无明显孔洞缺陷。
采用X射线衍射仪(XRD)对熔覆层进行X射线衍射,得到熔覆层衍射图谱，如图3所示；通过XRD谱图可知熔覆层物相结构为BCC和少量的Ti。
采用EDS能谱仪对图4中的树枝晶进行成分分析，如图5所示，枝晶处主要是Ti、Mo、Nb、Cr为主的初生相，而Ti的含量高应该是基体中Ti的扩散导致。
采用显微硬度仪测量高熵合金熔覆层的显微硬度,在距熔覆层表面不同距离处取点进行测量，并与TiMoNbCr高熵合金熔覆层、基体材料TC4钢进行比较，结果如下表所示；从表中可知，TiMoNbCr高熵合金熔覆层的平均硬度值为1018HV0.2与其基体的平均硬度值324HV0.2相比硬度有了明显提高。
实施例2
本实施例所述高熵合金材料由Ti、Mo、Nb、Cr四种金属元素粉末组成，各组分及其原子百分比为16％的Ti、33％的Mo、32％的Nb、19％的Cr,所有组分的质量百分比的总和为100％，采用电子称称取各金属粉末，混合粉末的总质量为60g。
本实施例所述高熵合金涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)将各个粉末混合后,进行高能球磨,球磨时间不少于1小时，充分混合，得到合金粉末，粉末粒径为150-300目；
(2)将基体材料打磨去除氧化皮、油渍；
(3)将步骤(1)得到的TiMoNbCr高熵合金粉预置在预处理基体表面形成预置层，预制层厚度为0.5-1.0mm,然后置于60℃恒温处理5小时，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1500W,扫描速度600mm/min,光斑直径3mm、离焦量20mm、保护气体采用氩气，气体流量10L/min。
实施例3
本实施例所述高熵合金材料由Ti、Mo、Nb、Cr四种金属元素粉末组成，各组分及其原子百分比为16％的Ti、33％的Mo、32％的Nb、19％的Cr,所有组分的质量百分比的总和为100％，采用电子称称取各金属粉末，混合粉末的总质量为60g。
本实施例所述高熵合金涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)将各个粉末混合后,进行高能球磨,球磨时间不少于1小时，充分混合，得到合金粉末，粉末粒径为150-300目；
(2)将基体材料打磨去除氧化皮、油渍；
(3)将步骤(1)得到的TiMoNbCr高熵合金粉预置在预处理基体表面形成预置层，预制层厚度为0.5-1.0mm,然后置于100℃恒温处理5小时，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1500W,扫描速度600mm/min,光斑直径3mm、离焦量20mm、保护气体采用氩气，气体流量10L/min。
对实施例2和3制备得到的激光熔覆后高熵合金熔覆层用高倍号砂纸打磨至金相要求，用SEM进行拍摄观察,其结构和实施例1相似，熔覆层与基体结合良好，且熔覆层组织
致密,无明显孔洞缺陷。采用X射线衍射仪(XRD)对熔覆层进行X射线衍射，通过XRD谱图可知熔覆层物相结构为BCC和少量的Ti。
Claims (6)
1.一种高熵合金材料，其特征在于，由Ti、Mo、Nb、Cr四种金属元素粉末组成，各组分及其原子百分比为16％～20％的Ti、33％～38％的Mo、32％～38％的Nb、17％～22％的Cr，各个组分纯度均大于等于99.9％，粉末粒径为150-300目。
2.一种高熵合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
Step1：按比例称取原料粉末后充分混合，然后添加物质无水乙醇或正庚烷，进行高能球磨，得到的TiMoNbCr高熵合金粉；
Step2：将基体材料进行预处理，打磨去除氧化皮、油渍；
Step3：将Step1所得TiMoNbCr高熵合金粉预置在Step2所得基体表面形成预置层，预制层厚度为0.5～1.0mm，然后置于60～100℃恒温处理3～6小时，激光熔覆即可获得熔覆层。
3.根据权利要求2所述的一种高熵合金材料的制备方法，其特征在于：所述Step1中，当添加的物质为无水乙醇时，所述高能球磨的时间为3～5h；当添加的物质为正庚烷时，球磨时间为1～3h。
4.根据权利要求2所述的一种高熵合金材料的制备方法，其特征在于：所述高能球磨的球磨罐和磨球材质为不锈钢；球料比为8：1～12：1，球磨转速为250r/min～350r/min。
5.根据权利要求2所述的一种高熵合金材料的制备方法，其特征在于：所述Step2中的基体材料为钛合金TC4(Ti6-A14-V)。
6.根据权利要求2所述的一种高熵合金材料的制备方法，其特征在于：所述Step3中激光熔覆时的工艺参数为：激光功率1500～2000W,扫描速度600mm/min,光斑直径3～5mm、离焦量20mm、保护气体采用氩气，气体流量8～12L/min。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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