一种激光熔覆AlCoCrFeNi/NbC梯度高熵合金涂层材料及方法技术

本发明专利技术设计一种激光熔覆AlCoCrFeNi/NbC梯度高熵合金涂层材料，包括基体与AlCoCrFeNi/NbC梯度高熵合金涂层，所述AlCoCrFeNi/NbC梯度高熵合金涂层中含有AlCoCrFeNi高熵合金和NbC陶瓷颗粒，高熵合金中各元素原子比为Al:Co:Cr:Fe:Ni＝1:1:1:1:1，NbC含量在AlCoCrFeNi/NbC梯度高熵合金涂层中从内层到顶层呈连续梯度变化，其质量分数分别为0～5wt％、5～15wt％、15～25wt％。本发明专利技术在碳钢基体上制备的熔覆涂层，其表面具有很高的硬度和耐磨性，熔覆层之间以及熔覆层与基体之间为良好的冶金结合，结合处韧性较好，残余应力与裂纹驱动力也较小，有利于所制零件延长工作寿命以及拓宽工作条件范围。

【技术实现步骤摘要】
一种激光熔覆AlCoCrFeNi/NbC梯度高熵合金涂层材料及方法
本专利技术属于激光熔覆领域，尤其涉及一种AlCoCrFeNi/NbC梯度涂层的制备方法。
技术介绍
高熵合金是由5种及以上主要元素按照等物质的量或近物质的量混合组成的合金，其通常有简单的固溶体组成，不易形成脆性金属间化合物，能同时兼具高硬度和耐磨性等优异性能。梯度熔覆涂层可以通过连续的改变材料的成分而避免熔覆层及基体之间性能的突变，从而获得更低的应力、缺陷和断裂倾向。因此，梯度合金材料拥有更长的使用寿命以及更广的使用范围。申请公布号CN107675046A提出了一种轻质高强铝镁铜高熵合金及其制备方法，所设计的高熵合金的组分原子表达式为AlxMgyCuzZnvSiw，其中x+y+z+v+w＝100，x＝55～90，y＝7～35，z＝1～5，v＝1～5，w＝0.3～1。该制备方法真空感应熔炼并直接浇注得到合金铸锭。该种方法制备的高熵合金偏析和内应力较大，气孔、裂纹等缺陷也比较多，且仍应属于铝镁合金。申请公布号CN107881501A提出了一种用于制备高熵合金涂层用的合金粉末的添加剂组合物，其原料包括碳、锰、硅、硼淀粉和纤维素中的至少三种，将该添加剂于熔覆前涂覆于基体表面，可提高高熵合金涂层性能。但是该添加剂的用量无法定量分析，对高熵合金涂层的性能控制造成了困难。申请公布号CN106319260A提出了一种高熔点高熵合金及其涂层制备方法，所述高熵合金组成为CoCrMoNbTi，上述组分的原子摩尔比为：(0.8～1.1):(0.8～1.1):(0.8～1.1):(0.8～1.1):(0～1.1)；另外，还提供了一种上述合金激光熔覆涂层的制备方法，包括配粉、球磨、预置粉末、激光熔覆步骤。该方法制备的高熵合金涂层韧性较差，裂纹驱动力以及残余应力较大，容易萌生裂纹，引起所制零件失效。因此，为了制备出表面硬度和耐磨性较好且熔覆层韧性较好，内应力和断裂倾向较小的熔覆涂层，有必要开发一种梯度高熵合金熔覆涂层。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了针对不同工艺方法制备单层高熵合金涂层的不足，提供一种激光熔覆AlCoCrFeNi/NbC梯度高熵合金的方法。利用本方法可以在基体上制备出与基体为良好冶金结合的熔覆层，能显著提高基体与熔覆层之间以及熔覆层与熔覆层之间的韧性，降低界面处的残余应力和裂纹驱动力。本方法工艺简单，涂层厚度也易于控制。专利技术一种激光熔覆AlCoCrFeNi/NbC梯度高熵合金涂层材料，所述涂层涂覆于基底上，所述涂层的总厚度为1.5～3.0mm，所述涂层由高熵合金和NbC构成；所述高熵合金所含元素及其原子比为：Al:Co:Cr:Fe:Ni＝1:1:1:1:1；沿基底与涂层的接触面至涂层的表面，所述涂层中NbC的含量呈梯度递增；所述涂层通过激光熔覆制备。作为优选方案，专利技术一种激光熔覆AlCoCrFeNi/NbC梯度高熵合金涂层材料，所述涂层分为2～3个亚涂层，沿基底与涂层的接触面至涂层的表面，将涂层分为第一亚涂层、第二亚涂层、第三亚涂层；亚涂层确定后，该亚涂层中NbC的含量为定值，且均匀分布。所述第一亚涂层中NbC的含量为0～5wt％，所述第二亚涂层中NbC的含量为5～15wt％，所述第三亚涂层中NbC的含量为15～25wt％，且任意两个亚涂层中NbC的含量不相等。作为优选方案，专利技术一种激光熔覆AlCoCrFeNi/NbC梯度高熵合金涂层材料，第一亚涂层的厚度为0.5～0.8mm、第二亚涂层的厚度为0.5～0.8mm，第三亚涂层的厚度为0.8～1.2mm。作为优选方案，专利技术一种激光熔覆AlCoCrFeNi/NbC梯度高熵合金涂层材料，第一亚涂层的厚度：第二亚涂层的厚度：第三亚涂层的厚度＝0.5-1.0：0.5-1.0：0.5-1.2、优选为0.5-0.8：0.5-0.8：0.8-1.2。通过各亚涂层厚度以及各亚层厚度比例和成分的优化设计，可以最大程度的减少残余应力，并提高表面强度。专利技术一种激光熔覆AlCoCrFeNi/NbC梯度高熵合金涂层材料的制备方法；包括下述步骤：步骤一配置各亚层所需粉料；将不同质量分数的NbC陶瓷颗粒分别与高熵合金原料粉末混合均匀；得到第一亚层所需粉料、第二亚层所需粉料、第三亚层所需粉料；所述高熵合金原料由Al、Co、Cr、Fe、Ni按原子比1:1:1:1:1组成；步骤二逐层铺设+激光熔覆2.1将第一亚层原料粉铺设于基底上，激光熔覆得到第一亚层；2.2将第二亚层原料粉铺设于第一亚层上，激光熔覆得到第二亚层；2.3将第三亚层原料粉铺设于第二亚层上，激光熔覆得到第三亚层；得到第三亚层后冷却。专利技术一种激光熔覆AlCoCrFeNi/NbC梯度高熵合金涂层材料的制备方法；步骤一中，高熵合金的原料粉末为元素粉末，且元素粉末的纯度大于等于99.5％。作为优选方案，专利技术一种激光熔覆AlCoCrFeNi/NbC梯度高熵合金涂层材料的制备方法；步骤一中，配取等原子比Al粉、Co粉、Cr粉、Fe粉、Ni粉；并按质量比NbC/(Al粉+Co粉+Cr粉+Fe粉+Ni粉)＝A；的比例配取NbC粉；将配取的粉末加入球磨机中，球磨混合得到第一亚层所需粉料；所述A大于0且小于等于0.05；配取等原子比Al粉、Co粉、Cr粉、Fe粉、Ni粉；并按质量比NbC/(Al粉+Co粉+Cr粉+Fe粉+Ni粉)＝0.05-0.15的比例配取NbC粉；将配取的粉末加入球磨机中，球磨混合得到第二亚层所需粉料；配取等原子比Al粉、Co粉、Cr粉、Fe粉、Ni粉；并按质量比NbC/(Al粉+Co粉+Cr粉+Fe粉+Ni粉)＝0.15-0.25的比例配取NbC粉；将配取的粉末加入球磨机中，球磨混合得到第三亚层所需粉料；第一亚层所需粉料、第二亚层所需粉料、第三亚层所需粉料中NbC的含量不相等；球磨混合粉末采用低能球磨法制备，具体步骤为：将按照质量分数称量好的陶瓷粉与AlCoCrFeNi高熵合金粉末混合后加入球磨罐中，抽真空，进行低能球磨，控制球料质量比为5:1～10:1，转速为100～150r/min，球磨时间为1h～2h，为防止球磨过程中Al粉团聚长大，转速优选100r/min将两种粉体混合均匀，球磨结束后冷却30分钟在取出粉末；所用球磨罐为真空不锈钢罐、硬质合金罐或者玛瑙罐，所用球为不锈钢球、硬质合金球或者氧化锆球，过程控制剂为无水乙醇、正庚烷、硬脂酸或不添加球磨介质。球磨后的粉末元素分布均匀，适合作为激光熔覆粉末。作为优选方案，专利技术一种激光熔覆AlCoCrFeNi/NbC梯度高熵合金涂层材料的制备方法；Al粉、Co粉、Cr粉、Fe粉、Ni粉的粒度均为100～300目，NbC粉末粒径为1～8μm。作为优选方案，专利技术一种激光熔覆AlCoCrFeNi/NbC梯度高熵合金涂层材料的制备方法；所述基底为表面清洁干燥的基底。所述基底优选为45#钢。在工业上应用时，对基底表面进行除油除锈处理。常用的除油除锈处理为：对基底用#4本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光熔覆AlCoCrFeNi/NbC梯度高熵合金涂层材料，其特征在于：所述涂层涂覆于基底上，所述涂层的总厚度为1.5～3.0mm，所述涂层由高熵合金和NbC强化相构成；所述高熵合金所含元素及其原子比为：Al:Co:Cr:Fe:Ni＝1:1:1:1:1；沿基底与涂层的接触面至涂层的表面，所述涂层中NbC的含量呈梯度递增；所述涂层通过激光熔覆制备。/n

【技术特征摘要】
1.一种激光熔覆AlCoCrFeNi/NbC梯度高熵合金涂层材料，其特征在于：所述涂层涂覆于基底上，所述涂层的总厚度为1.5～3.0mm，所述涂层由高熵合金和NbC强化相构成；所述高熵合金所含元素及其原子比为：Al:Co:Cr:Fe:Ni＝1:1:1:1:1；沿基底与涂层的接触面至涂层的表面，所述涂层中NbC的含量呈梯度递增；所述涂层通过激光熔覆制备。


2.根据权利要求1所述的一种激光熔覆AlCoCrFeNi/NbC梯度高熵合金涂层材料，其特征在于：所述涂层分为2～3个亚涂层，沿基底与涂层的接触面至涂层的表面，将涂层分为第一亚涂层、第二亚涂层、第三亚涂层；亚涂层确定后，该亚涂层中NbC的含量为定值，且均匀分布。所述第一亚涂层中NbC的含量为0～5wt％，所述第二亚涂层中NbC的含量为5～15wt％，所述第三亚涂层中NbC的含量为15～25wt％，且任意两个亚涂层中NbC的含量不相等。


3.根据权利要求2所述的一种激光熔覆AlCoCrFeNi/NbC梯度高熵合金涂层材料，其特征在于：第一亚涂层的厚度为0.5～0.8mm、第二亚涂层的厚度为0.5～0.8mm，第三亚涂层的厚度为0.8～1.2mm。


4.根据权利要求3所述的一种激光熔覆AlCoCrFeNi/NbC梯度高熵合金涂层材料，其特征在于：第一亚涂层的厚度：第二亚涂层的厚度：第三亚涂层的厚度＝0.5-1.0：0.5-1.0：0.5-1.2、优选为0.5-0.8：0.5-0.8：0.8-1.2。


5.一种如权利要求1-4任意一项所述激光熔覆AlCoCrFeNi/NbC梯度高熵合金涂层材料的制备方法；其特征在于；包括下述步骤：
步骤一配置各亚层所需粉料；
将不同质量分数的NbC陶瓷颗粒分别与高熵合金原料粉末混合均匀；得到第一亚层所需粉料、第二亚层所需粉料、第三亚层所需粉料；所述高熵合金原料由Al、Co、Cr、Fe、Ni按原子比1:1:1:1:1组成；
步骤二逐层铺设+激光熔覆
2.1将第一亚层原料粉铺设于基底上，激光熔覆得到第一亚层；
2.2将第二亚层原料粉铺设于第一亚层上，激光熔覆得到第二亚层；
2.3将第三亚层原料粉铺设...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓峰，冯英豪，陈子健，仪登豪，王帅，谢会起，刘斌，李忠华，赵占勇，白培康，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西;14