[发明专利]交直流复合磁场辅助激光熔覆高熵合金涂层的方法与装置

说明书

本发明提出交直流复合磁场辅助激光熔覆高熵合金涂层的方法与装置。该装置包括：横向直流磁场发生装置、纵向交流磁场发生装置与位置移动机构，发明方法为把基材放置于带夹具的上支撑板上，通过控制器分别开启交直流电源器的交/直流电源模块对矩形励磁线圈Ⅰ和励磁线圈Ⅱ供电，同步产生纵向交流磁场和横向稳恒直流磁场；同时控制器控制位置移动机构和机器人，让移动螺母带着交流磁场发生装置实现与激光熔覆头随动，确保方形硅钢的上端部始终对应于激光熔池，让每一时刻的熔池均受到等强度的交/直流磁场协同作用。本发明通过交流磁场与直流磁场的协同作用对激光熔覆高熵合金涂层中的微观组织形态与溶质分布进行有效调控，可获得组织分布均匀，成分偏析得到显著改善的高性能高熵合金涂层。

技术领域

本发明涉及高熵合金涂层制备技术领域，具体涉及交流磁场与直流磁场协同调控激光熔覆高熵合金涂层组织与成分的方法。

背景技术

高熵合金(High-entropy alloy(HEA))是由5种以上元素组元以等原子比或近等原子比组成的多组元。与传统合金相比，高熵合金具有高硬度、高强度、高耐蚀、高耐磨、高温稳定性等优异特性。对高熵合金的制备主要集中在块体、薄膜和涂层。其中块体和薄膜高熵合金由于存在制备成本高、易产生冶金缺陷、难以制备大尺寸、复杂结构的构件与薄膜厚度低、结合强度不高等不足，使其工业应用存在一定的局限性。鉴于许多零部件的使用性能取决于其表面性能，因而采用表面涂层技术在零部件表面制备高熵合金涂层是充分利用高熵合金优异性能、提高零部件使用寿命的最有效途径。激光熔覆具有稀释率小、与工件结合强度高、凝固组织致密、热影响区和变形小、易于实现自动化生产、适用材料体系广泛等优势，已成为当前研究最为活跃的表面涂层制备工艺。

但由于高熵合金粉末中合金元素众多且不同种类金属元素之间的热物理性能存在较大差异，并且由于激光熔覆技术即热骤冷特点，较大的温度梯度易导致熔覆层存在严重成分偏析及凝固组织可控性差等诸多问题，因而激光熔覆难以得到成分均匀的高熵合金涂层，这严重限制了该技术在高性能高熵合金涂层制备领域的进一步发展与应用。

激光熔覆过程中熔池内存在的对流、传热与传质直接影响熔池中合金元素的分布、组织的生长与缺陷的形成，通过施加热场、振动场、电磁场等特种能场调控熔池凝固过程进而减少熔覆层内部的冶金缺陷是近几年发展起来辅助制备熔覆涂层的新技术。相较于外加热场和振动场，利用电磁场辅助激光制造可以将能量输入到熔体中诱发无接触的洛伦兹力间接地改变凝固过程中传热与传质，并最终影响凝固组织及其性能。电磁场以其调控形式多样、装置简单、调控效果好等优点，已经在工业生产过程中得到应用。

而将磁场应用于激光熔覆高熵合金涂层制备甚少，目前磁场主要应用于高熵合金块体材料的制备如申请号为“201910367596 .1”的“利用磁场提高AlCoCrCuFeNi高熵合金力磁性能的方法”和“201910367594 .2”的“利用磁场提高CrCoNi中熵合金力学性能的方法”，并且主要为单一磁场辅助为主，而将交/直流复合磁场应用于高熵合金块体制备甚少，并且尚未发现交/直流复合磁场协同辅助激光熔覆制备高熵合金涂层，根据激光熔覆高熵合金涂层及单一磁场的工艺特点，直流磁场对熔池的作用主要体现为弱磁场下的热电磁对流效应，可对成分偏析进行有效改善；而交流磁场虽搅拌力较大，能较好的破碎枝晶，但是熔池存在时间极短，因而无法实现元素的全面均匀搅拌。

综上所述，鉴于单一磁场在各自领域应用中存在的不足，将两者进行复合形成交/直流磁场辅助激光熔覆制备高熵合金涂层是一种不错的思路。

发明内容

本发明的目的是针对现有高熵合金涂层激光熔覆制备中元素众多导致的成分偏析和巨大温度梯度导致的组织分布不均匀等问题，发明一种交/直流复合磁场辅助激光熔覆高性能高熵合金涂层的方法，同时提供一种相应的装置，它通过交流磁场与直流磁场的协同作用对激光熔覆高熵合金涂层中的微观组织形态与溶质分布进行有效调控，进而获得组织分布均匀，成分偏析等到显著改善的高性能高熵合金涂层。