[发明专利]一种AlCoCrFeMnNi高熵合金粉末及其熔覆层的制备方法

说明书

本发明提出一种AlCoCrFeMnNi高熵合金粉末及其熔覆层的制备方法。CoCrFeMnNi合金粉末和Al粉按等摩尔比称重配制；将配制的合金粉末、不锈钢球、无水乙醇加入球磨罐中，进行球磨处理；取出球磨罐放入烘箱烘干，得到无水分的AlCoCrFeMnNi高熵合金粉末。采用AlCoCrFeMnNi合金粉末和粘结剂为原料制备用于熔覆的粉末长条，将该粉末条放置在工件表面进行预制熔覆；或者将AlCoCrFeMnNi合金粉末送入微束等离子弧中进行喷焊熔覆，经过微束等离子弧焰流高温熔化，熔覆与基体形成冶金结合，冷却凝固形成综合性能优良的再制造修复层。本发明制备熔覆层的成本低，可以多场合、多工况实施，经济性强。

技术领域

本发明涉及高熵合金粉末、熔覆层的制备技术及一种新型修复再制造涂层。它是以机械合金化制备高熵合金粉末，以一种热输入较小、适应性强的微束等离子弧熔覆工艺制备修复层的方法，得到一种稀释率小，致密、无裂纹和气孔等缺陷，具有耐磨、耐腐蚀、抗高温氧化性能的AlCoCrFeMnNi高熵合金熔覆层。

背景技术

随着航空、航天、电子、通信等技术发展，对材料的性能提出越来越高的要求，一般合金性能在一定程度上已经不能满足人们的要求。高熵合金是近年来出现的新型合金之一，其它由5种或5种以上元素以等摩尔比或近等摩尔比配比，合金的性能由多个组元的共同作用决定，组织主要由单一的体心立方(BCC)、面心立方(FCC)或者密排六方(HCP)固溶体相构成，热稳定性高，具有高的强度、硬度，优良的耐磨性、耐蚀性、耐低温性、抗高温氧化性及耐回火软化等多种优异性能。高熵合金的高熵效应能明显地降低系统的自由能，降低了形成金属间化合物形成的趋势，抑制其他复杂相的形成，从而促进元素间混合形成简单固溶体结构。

目前，高熵合金的研究多数采用真空电弧炉熔炼等方法制备块体材料，制备的块体尺寸受到限制，也容易出现各种缺陷；除此之外，高熵合金中需要大量较贵重的金属，电弧熔炼制备高熵合金致使生产成本较高，难以推广应用。因此，在零部件表面制备合金涂层可以发挥巨大的作用。所以，采用不同工艺开发高熵合金表面涂层技术及其应用具有很大的意义。

目前，高熵合金涂层制备有多种工艺方法。其中，采用激光熔覆制备熔覆层具有一定的局限，设备成本高、效率低，制备的熔覆层稀释率高；磁控溅射和物理气相沉积技术制备的涂层薄，仅作为功能涂层，在工程领域有一定限制，而且效率低，耗材多、设备昂贵、存在缺陷等一系列问题限制了其工业化应用。与其他制备技术相比，微束等离子弧熔覆适应性强，同样可以制备厚度大于1mm的涂层，工艺过程简单、热效率高、设备成本低，涂层与基体冶金结合，连接强度高，稀释率小，涂层组织均匀细小，综合性能良好，更有利用于工程修复再制造领域的应用。但是，目前没有学者采用该工艺制备高熵合金熔覆层。CoCrFeMnNi系是一种重要的高熵合金体系，具有简单的面心立方FCC固溶体结构，具有良好的抗高温软化性能、锻造特性以及低温屈服强度等，也可用于较高温度下的工况环境及表面涂层修复等领域。然而，CoCrFeMnNi高熵合金却显示出较低的强度。研究表明，Al的原子半径比较大，容易导致涂层产生晶格畸变，有利于形成非晶相结构；随着Al含量的增加，引起晶格畸变效应越强烈，固溶强化效应越明显，强度和硬度明显提高，并且晶格常数也增大； Al元素是促BCC相形成元素，适量添加可以改变固溶体相组成，形成BCC相，从而提高涂层的硬度和耐磨损性能；Al元素易于钝化而具有很好的耐腐蚀性能，是因为Al元素特别活泼，在Al的表面极易发生钝化而形成致密的氧化铝保护膜，阻止了合金内部与环境的接触，从而使内部不受腐蚀，Al元素的加入很可能改善高熵合金的耐腐蚀性能。Al元素在高温下可以形成致密的氧化膜Al₂O₃，因此可以提高熔覆层的抗高温氧化性能。因此，改善 CoCrFeMnNi高熵合金涂层的硬度、耐磨、耐腐蚀和抗高温氧化性能，制备AlCoCrFeMnNi 合金熔覆层在修复再制造涂层领域具有很大的应用前景。