一种铁锰硅形状记忆合金涂层及制备方法技术

一种铁锰硅形状记忆合金涂层及制备方法，本发明专利技术提供的在Fe‑Mn‑Si形状记忆合金基础上，利用激光熔覆涂层工艺，采用机械压粉装置将粉末压置于基体，采用激光熔覆技术在304不锈钢基体上制备了形状记忆合金涂层。发现预置粉末厚度为1mm、光斑直径为3 mm、激光功率为2 kW、扫描速度为600 mm／min、搭接率为50％时，成功地制备出了Fe‑17Mn‑5Si‑10Cr‑5Ni记忆合金涂层，获得合理的涂层工艺参数，得到理想的熔覆效果。

Fe Mn Si shape memory alloy coating and preparation method thereof

An iron manganese silicon shape memory alloy coating and a preparation method are provided. On the basis of the Fe Mn Si shape memory alloy, the laser cladding coating process is used to press the powder pressure on the matrix by the mechanical powder pressing device, and the shape memory alloy coating is prepared on the 304 stainless steel substrate by laser cladding technology. When the thickness of the preset powder is 1mm, the diameter of the spot is 3 mm, the laser power is 2 kW, the scanning speed is 600 mm / min, and the lap ratio is 50%, the Fe 17Mn 5Si 10Cr 5Ni memory alloy coating is successfully prepared, and the reasonable coating process parameters are obtained, and the ideal coating effect is obtained.

【技术实现步骤摘要】
一种铁锰硅形状记忆合金涂层及制备方法
本专利技术涉及一种铁锰硅形状记忆合金涂层，具体涉及激光熔覆制备方式对FeMnSi形状记忆合金耐磨性进行提高，属于合金涂层的制备

技术介绍
形状记忆合金(ShapeMemoryAlloy，简称SMA)作为一种功能性金属材料，是从上个世纪中叶开始逐渐发展起来的。当温度较高时(奥氏体状态)形状记忆合金具有伪弹性行为，表现出比其他材料大很多倍的可恢复应变，形状记忆合金的这个特性是因为其内部发生了固态相变即马氏体相变。除此之外，形状记忆合金的另一种特点就是一旦加热到一定温度后则能完全消除在较低温度下曾经发生过的变形，并能够最终恢复到变形前的形状，即形状记忆效应(ShapeMemoryEffect，SME)。形状记忆效应可解释为对初始形状的具有记忆性能的效应，具有这种效应的材料被统称为形状记忆合金。1963年美国海军武器实验室首次发现原子比Ni-Ti合金具有良好的形状记忆效应。在不到几年的时间内，铁基合金的形状记忆效应由Way-men和Koval发现。1969年美国海军首次成功地运用形状记忆合金在海军F-14舰载战斗机的油压管接头中。我国是从1978年开始研究形状记忆合金的，而对铁基记忆合金的研究主要集中在以Fe-Mn-Si合金为基体，加入Ni、Co、Cr、N等合金元素，以提高形状记忆合金的耐蚀性和形状记忆性能。激光熔覆技术的定义可以概括为：在被涂覆基体表面上以不同的添料方式放置选择的涂层材料，对其用高能量密度激光束辐照后使之和基体表面的一薄层同时熔化，在其快速凝固后则会形成与基体材料成冶金结合的表面涂层，这种涂层的稀释率极低，从而达到改善材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等的工艺方法。激光熔覆具有如下特点：能够在价格低廉并且易于加工的基体材料表面不受任何限制的选择性制备高性能的熔覆层，还可根据需要进行单道和多道熔覆层的制备，使表层具有梯度功能；正常情况下基体成分很难干扰和影响到熔覆层成分与性能；可以对熔覆层的厚度进行准确的控制，熔覆层与基体可形成牢固的冶金结合，且熔覆层的稀释度小；较小的热作用导致工件热变形也相对较小，不会对基材的力学性能造成破坏；自动化程度高，整个过程很容易实现在线自动控制。
技术实现思路
为了获得目标涂层的成分，首先将Fe、Mn、Si、Cr、Ni粉末按Fe：Mn：Si：Cr：Ni=52：30：10：5：3(wt％)配制进行激光熔覆试验后将所得涂层的化学成分进行分析发现其离目标涂层成分比Fe：Mn：Si：Cr：Ni=63：17：5：10：5(wt％)相隔甚远。为了使熔覆层的化学成分更加接近目标涂层成分，调整熔覆粉末成分配比为Fe：Mn：Si：Cr：Ni=52：32：9：4：3(wt％)后再次进行激光熔覆试验发现制备出的涂层化学成分最为接近目标化学成分。针对现有涂层的缺陷，本专利技术提供的在FeMnSi基础上，采用激光熔覆技术在304不锈钢基体上制备了形状记忆合金涂层。对合金涂层的耐磨性进行对比分析。本专利技术实施的运用激光熔覆工艺制备高熵合金涂层步骤为：（1）本专利技术用数控线切割机将304不锈钢材料的毛坯切成尺寸为100mm×50mm×10mm大小的长方体试样。依次用型号分别为400、600、1000的砂纸对长方体块进行打磨，打磨的目的是出去其表面的杂质和氧化层，为了保证基体反面在放置时水平，在这个过程中需要对试样的正反面都进行打磨。（2）本专利技术采用的熔覆粉末为按照一定质量分数配比混合的Fe、Mn、Si、Cr、Ni粉末，熔覆粉末组元为纯度99．9％，粉末粒度为10-50μm。首先利用钥匙从各个单质粉末药瓶中取一定量的粉末于滤纸上，将装有粉末的滤纸置于电子称上称量定量的各单质粉末，将其充分混合放入球磨机中球磨2小时以保证粉末颗粒大小一致且混合均匀，试验采用QM-1卧式实验室球磨机。（3）本专利技术采用预置粉末法进行激光熔覆。利用自制的刮板工具。将熔覆粉末预置在己制备好的基体材料之上，很好的达到了预置粉末平整、厚度均匀、孔隙率低的目的。（4）本专利技术粉末厚度约为lmm时，能够制备相对良好的激光熔覆涂层。（5）本专利技术将预置好熔覆粉末的基体置于DL-LPM-V型激光加工系统工作平台上，通过调整激光工艺参数、编辑数控代码制备出单道和多道激光熔覆涂层。（6）本专利技术在激光熔覆过程中用氩气作保护气体，粉末预置厚度为1.5mm，激光熔覆参数：氩气气压0.2MPa，功率1200W，光斑直径为2.5mm，扫描速度3mm/s，搭接率50%。（7）本专利技术采用德国Leeia公司生产的OLYMPUSGX51型金相显微镜，利用其对试样表面进行微观组织成分观测。（8）本专利技术显微硬度测试采用的是MH-6型显微硬度仪，其参数主要有：载荷3N，加载时间5s。通过测量压痕对角线的数值，显微硬度仪通过内部计算得出HV硬度值，试验的主要目的是测试涂层和基体的显微硬度。（9）本专利技术对涂层进行的滑动耐磨性测试是在HSR-2M型高速往复摩擦试验机上进行的，试样的制备与硬度试验的制备基本相同。在材料力学中评价耐磨性的优劣主要有两大指标即材料的摩擦系数和失重量。试验材料尺寸为30mm×10mm×5mm。主要对Fe-Mn-Si合金涂层和不锈钢基体的耐磨性做了定性和定量的比较。本专利技术的有益效果是相对现有技术中涂层制备技术，本专利技术的方法具备操作简单、成本低廉、制备时间短、涂层容易成型的优势，使高熵合金这一新兴材料应用于表面涂层领域变成了可能。本专利技术的铁锰硅形状记忆合金利用激光熔覆涂层工艺，采用机械压粉装置将粉末压置于基体。预置粉末厚度为1mm、光斑直径为3mm、激光功率为2kW、扫描速度为600mm／min、搭接率为50％，成功地制备出了Fe-17Mn-5Si-10Cr-5Ni记忆合金涂层。对于形状记忆合金涂层确定了合理的工艺参数，得到理想的熔覆效果。具体实施方式实施例1通过调整工艺参数(激光功率、扫描速度、离焦量、搭接率)激光熔覆原位生成了Fe-Mn-Si记忆合金涂层。表明，当其它工艺参数一定时，扫描速度对涂层化学成分的影响最大。扫描速度越大，涂层中Mn和Si的含量越大，其烧损率越低，而Cr和Ni的含量越小。最后为了本专利技术得到Fe-Mn-Si形状记忆合金涂层，采取光斑直径为3mm、搭接率为50％，激光功率分别选取2kW、2.5kW、3kW，扫描速度分别选取600、800、1000、1200在基体表面进行激光熔覆试验得到涂层。试验前后出现了各元素组成的不一致的现象。其主要原因是在激光熔覆过程中，Mn和Si的烧损率比较大，再加上基材本身Fe、Cr的含量较大。一部分合金元素熔化进入涂层使得Cr和Ni的质量比增加。所以出现了Mn、Si等元素在此过程中烧蚀减少而Fe、Cr等元素含量增加的现象。实施例2在其他工艺参数一定时，扫描速度选取400mm／min、600mm／min、800mm／min时进行激光熔覆试验。熔覆试样截面组织自涂层表面至基材大致可分为熔覆涂层、热影响区和基材三个区域。在其他工艺参数一定时，扫描速度越大，熔覆涂层的高度越大而宽度越小，热影响区的宽度、高度也越小。是由于在激光熔覆过程中，粉末受到激光束辐射的时间长短与扫描速度的大小是成反比的。当扫描速度越大时，辐射时间越小、激光束对粉末的辐射能量也越小本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铁锰硅形状记忆合金涂层及制备方法采用采用机械压粉装置将粉末压置于基体，采用激光熔覆技术在304不锈钢基体上制备了形状记忆合金涂层，发现预置粉末厚度为1mm、光斑直径为3 mm、激光功率为2 kW、扫描速度为600 mm／min、搭接率为50％时，成功地制备出了Fe‑17Mn‑5Si‑10Cr‑5Ni记忆合金涂层，获得合理的涂层工艺参数，得到理想的熔覆效果。

【技术特征摘要】
1.一种铁锰硅形状记忆合金涂层及制备方法采用采用机械压粉装置将粉末压置于基体，采用激光熔覆技术在304不锈钢基体上制备了形状记忆合金涂层，发现预置粉末厚度为1mm、光斑直径为3mm、激光功率为2kW、扫描速度为600mm／min、搭接率为50％时，成功地制备出了Fe-17Mn-5Si-10Cr-5Ni记忆合金涂层，获得合理的涂层工艺参数，得到理想的熔覆效果。2.根据权利要求1所述一种铁锰硅形状记忆合金涂层及制备方法，其特征制备方法如下：用数控线切割机将304不锈钢材料的毛坯切成尺寸为100mm×50mm×10mm大小的长方体试样，依次用型号分别为400、600、1000的砂纸对长方体块进行打磨，打磨的目的是出去其表面的杂质和氧化层，为了保证基体反面在放置时水平，在这个过程中需要对试样的正反面都进行打磨。3.根据权利要求1所述的熔覆粉末为按照一定质量分数配比混合的Fe、Mn、Si、Cr、Ni粉末，熔覆粉末组元为纯度99．9％，粉末粒度为10-50μm，首先利用器皿从各个单质粉末药瓶中取一定量的粉末于滤纸上，将装有粉末的滤纸置于电子称上称量定量的各单质粉末，将其充分混合放入球磨机中球磨2小时以保证粉末颗粒大小一致且混合均匀，试验采用QM-1卧式实验室球磨机。4.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：王国斌，
申请(专利权)人：王国斌，
类型：发明
国别省市：辽宁,21