[发明专利]一种铝合金表面激光熔覆的高熵合金涂层和制备方法

说明书

本发明公开一种铝合金表面激光熔覆的高熵合金涂层和制备方法。所述高熵合金元素包括Fe、Co、Ni和Cr，改性元素为Y。所述方法包括以下步骤：复合粉末的制备：将Fe、Co、Ni、Cr和Y金属粉末球磨混合，筛取‑200～325目粉末，真空干燥；铝合金基材表面预处理：对铝合金基材依次采用物理法和化学法进行表面处理；粉末的输送：将所得干燥好的粉末放入送粉器；激光熔覆：将铝合金基材放入惰性保护箱，采用同轴送粉将复合粉末激光熔覆在处理好的铝合金基材表面；熔覆样品处理：将所得熔覆样品放入马弗炉中保温，然后随炉缓冷。本发明在涂层制备方式上策略巧妙，区别于传统激光熔覆前需对基材预置铺粉，利用同轴送粉法在铝合金表面直接原位合成涂层，可极大提高涂层制备效率。

技术领域

本发明涉及一种铝合金表面激光熔覆的高熵合金涂层和制备方法，属于铝基复合材料制备领域。

背景技术

铝合金因其具有较高的比强度、比刚度已成为机械轻量化设计的首选材料，但是其在某些领域应用时，要求铝合金表面需具有更高的硬度、耐磨和耐腐蚀性，因此需要对其表面进行改性。

目前，表面改性方法主要包括电镀法、气相沉积法、热喷涂法和激光熔覆法等。激光熔覆法相比于这些技术，具有加工效率高、污染小和制备涂层厚等优点，即应用此相关技术可实现在基材表面高效率的制备出厚涂层。

激光熔覆领域中传统高硬度耐磨涂层材料如铁基合金、镍基合金、钴基合金等，其熔点远高于铝合金，因而在激光熔覆过程中为保证涂层粉末充分融化需提高激光热输入，但也会增大基材稀释率。而铝元素电负性较强、化学性质较活泼，与上述材料反应极容易生成硬脆相金属间化合物，极易恶化涂层成型质量和使用性能。可见，找到一个适用于铝合金表面激光熔覆的材料成分并匹配相应工艺参数是解决上述问题的关键。

自2004年以来，高熵合金成为材料领域研究热点，区别于传统单一主元合金，如以铁元素(Fe)为主元的钢材或铸铁、以铝元素(Al)为主元的铝合金、以铜元素(Cu)为主元的铜合金等，高熵合金是以5种或5种以上为主元且其按等摩尔比或近等摩尔比组成的合金。对各元素合理配比后，合金会呈现高熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应和鸡尾酒效应。对于高熵合金作为激光熔覆涂层材料，高熵效应有利于抑制基材稀释元素与原始添加粉末在反应后生成金属间化合物，晶格畸变和迟滞扩散效应使涂层可具有较高的硬度，鸡尾酒效应可进一步通过改变添加元素实现对涂层性能的调控。因此，基于高熵合金四大效应，利用高熵合金涂层作为铝合金表面的熔覆材料，为解决传统涂层材料激光熔覆铝合金表面时涂层易出现成型质量差、使用性能低等问题提供了理论基础。

由于采用多主元的合金配比方式，目前已报道300多种不同成分的高熵合金，根据主要元素熔点可分轻质高熵合金、过渡族高熵合金和高熔点高熵合金。对于轻质高熵合金，其化学性质较活泼，反应不易受控制，且作为涂层性能较差，因此，不选其作为铝合金改性涂层材料。对于高熔点高熵合金，大多含有钨、铌等元素，其熔点已超过铝元素沸点，因此也不易作为铝合金表面改性涂层。而过渡族合金元素中，Fe、Co、Ni、Cr元素之间原子半径、电负性差异较小，根据高熵合金固溶体相形成规律，选用以上元素并进行合理配比，有利于固溶体相形成。同时，上述元素熔点均小于铝元素沸点，选其作为铝合金涂层材料有应用价值。基于高熵合金鸡尾酒效应，Cr是耐腐蚀性元素，可增加涂层耐腐蚀性；Ni是FCC相形成元素，可增加涂层韧性；Fe在合金中不影响其微观组织及固溶体相形成，且与Cr具有相似的原子半径和电负性，同时可降低涂层成本；Co与Fe和Cr具有相似的元素几何属性，且能起到枝晶粘结剂作用，可降低涂层脆性；基于以上原则，选用Fe、Co、Ni、Cr元素作为铝合金激光熔覆改性涂层的主元元素。稀土元素被称为“工业的维生素”，添加稀土元素可使涂层晶粒细化。钇元素(Y)熔点1522℃，低于常用的高熔点Y₂O₃(2410℃)，CeO₂(2397℃)等稀土元素，且远其熔点小于铝合金的沸点(2372℃)，因此，选用Y可作为铝合金表面高熵合金涂层改性元素。