一种中熵合金复合材料及其制备方法与应用技术

本申请公开了一种中熵合金复合材料及其制备方法与应用，涉及增材制造领域；所述中熵合金复合材料，包括95～99.9wt％的CrCoNi中熵合金基体粉末和0.1～5wt％的LaB6粉末；所述中熵合金复合材料具有较强的机械性能。熵合金复合材料具有较强的机械性能。熵合金复合材料具有较强的机械性能。

【技术实现步骤摘要】
一种中熵合金复合材料及其制备方法与应用


[0001]本申请涉及增材制造领域，具体而言，涉及一种中熵合金复合材料及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]中熵合金是多主元合金的一个分支，意为主元素为三元的单相合金。在中熵合金中多种原子半径各异，带来极大的晶格畸变导致原子的扩散极为困难，因此具有扩散阻滞效应及固溶强化效应，且强韧性匹配一般较高熵合金更优，但其强度较差，故需要通过添加其他元素、增强体等方法对其机械性能进行提升。
[0003]目前，现有技术中通常在中熵合金中加入Mn元素以提高其抗拉强度和延伸率，但若将此类中熵合金用于增材制造时其机械性能却不太理想。

技术实现思路

[0004]专利技术人在研究过程中发现，现有技术中的中熵合金复合材料在制备过程中由于人为引入其他相会导致更多脆性中间相的产生，因此在增材制造产生的大过冷度下难以保持原有结构，导致其机械性能会大大削弱。因此，本申请提供了一种中熵合金符合材料及其制备方法与应用。
[0005]本申请的实施例是这样实现的：
[0006]第一方面，本申请示例提供了一种中熵合金复合材料，其包括95～99.9wt％的CrCoNi中熵合金基体粉末和0.1～5wt％的LaB6粉末。但基体粉末不可避免混有游离态氧元素，会降低机械性能，因此本申请利用LaB6粉末原位化学反应:LaB6+[O]＝＝La2O3+硼化物降低了基体中游离态氧含量，同时引入La2O3析出相，形成第二相强化机制，再通过中熵合金的固溶强化效应，使得所得复合材料的机械性能得到大幅提升。并且，本申请所述中熵合金基体粉末和LaB6粉末的混合质量比可将原位化学反应产生的析出相体积分数与打印态工件微观组织平均晶粒尺寸控制在较佳范围内。
[0007]结合第一方面，在本申请的第一方面的第一种可能的示例中，为与增材制造的设备相匹配，以提高材料利用率，本申请利用不同光斑直径匹配不同的粉末粒径，可最大化利用材料表面粗糙度性质，提高能量利用率，降低粉末不熔化的概率，提升工件品质的同时防止浪费。本申请所述CrCoNi中熵合金基体粉末的粒径为≤53μm和/或53～150μm；如较细粒径(≤53μm)的基体粉末匹配于选区激光熔化铺粉系统，该系统包含粉床、刮刀等铺粉设备；较粗粒径(53～150μm)的基体粉末则用于选区激光熔覆送粉系统，该系统包含喷嘴等送粉设备。
[0008]结合第一方面或第一方面的第一种可能的示例，在本申请的第一方面的第二种可能的示例中，为最大程度利用第二相的强化效果，本申请在研究过程中结合原位化学反应析出相的尺寸对LaB6粉末进行了限定，即0～50nm、50～500nm和/或0.5～5μm。
[0009]在实际工业化生产过程中，在考虑CrCoNi中熵合金中的各元素组成时，不仅需要
考虑到其固溶强化效应程度，还需考虑成本问题。因此结合第一方面或第一方面的第一种或第二种可能的示例，在本申请的第一方面的第三种可能的示例中，本申请对CrCoNi中熵合金中的各元素组成进行了以下限定：20～50atom％Cr、20～50atom％Co和20～50atom％Ni。
[0010]第二方面，本申请提供了上述中熵合金复合材料的制备方法，所述制备方法可有效防止各种中间脆性中间相的形成，无需切除过渡区，可极大提升复合材料的整体性能和材料利用率。
[0011]结合第二方面，在本申请第二方面的第一种可能的示例中，本申请所述的中熵合金复合材料的制备方法包括下述步骤：将CrCoNi中熵合金基体粉末和LaB6粉末按比例混合后经球磨混合而得。
[0012]合适的球磨机混粉参数是保证混合粉末的技术指标(如基体粉末球形度、第二相附着均匀度及附着强度等)的前提，该参数的设计会对后续增材制造过程中稳定进行和打印态工件质量产生一定影响。因此结合第二方面或第二方面的第一种可能的示例，在本申请第二方面第二种可能的示例中，本申请对球磨机混粉参数进行了以下限定：球料比为2:1～0.3:1，旋转速度为300～600min，混合时间为2～5h，并要求每15～45min改变旋转方向。
[0013]第三方面，本申请提供了上述中熵合金复合材料在增材制造领域中的应用。
[0014]结合第三方面，在本申请第三方面第一种可能的示例中，为提高材料利用率，本申请将激光光斑的直径与复合材料的粒径相匹配使用，即将不同粒径的复合材料与不同的增材制造设备相匹配。如当CrCoNi中熵合金基体粉末粒径≤53μm时，将其用于激光光斑直径为0.03～0.10mm的选区激光熔化铺粉增材制造设备；当CrCoNi中熵合金基体粉末粒径为53～150μm时，则将其用于激光光斑直径为1.5～3mm的选区激光熔覆送粉增材制造设备。
[0015]下面将分为两部分进行阐述：
[0016](1)当将粒径≤53μm的CrCoNi中熵合金基体粉末用于激光光斑直径为0.03～0.10mm的选区激光熔化铺粉增材制造设备时，在本申请一些可选的示例中，可通过下述方法实现：
[0017]步骤1：以不锈钢或钛作为基板，将所述CrCoNi中熵合金基体粉末用于并联选区激光熔化铺粉系统；建立欲打印工件的3D模型，转化成机器人扫描路径文件输入至电脑端；
[0018]步骤2：按600～1200mm/s的扫描速度、0.02～0.05mm的扫描间距、180～300W的功率、0.03～0.10mm的激光光斑直径和0.03～0.05mm的层厚以给定路径扫描；
[0019]步骤3：待扫描完成、冷却后，将工件与不锈钢或钛基板在连接处采用线切割方式进行分离。
[0020](2)当将粒径为53～150μm的CrCoNi中熵合金基体粉末用于激光光斑直径为1.5～3mm的选区激光熔覆送粉增材制造设备时，在本申请一些可选的示例中，可通过下述方法实现：
[0021]步骤1：以不锈钢或钛作为基板，建立欲打印工件的3D模型，转化成机器人扫描路径文件输入至电脑端；
[0022]步骤2：按500～1000mm/s的扫描速度、2.0～4.0mm的扫描间距、2500～6000W的功率、1.5～3mm的激光光斑直径和0.5～1mm的层厚以给定路径扫描，形成熔池；同时将所述CrCoNi中熵合金基体粉末送入熔池，使之与前层材料(此处前层材料是指增材制造过程中
上一层已经被激光扫描过的原料)结合；
[0023]步骤3：待扫描完成、冷却后，将工件与不锈钢或钛基板在连接处采用线切割方式进行分离。
[0024]通过上述内容可以看出：
[0025]本申请利用CrCoNi中熵合金的固溶强化效应，得到高强度、高韧性的打印态工件，同时利用“扩散阻滞”效应，延缓甚至阻止增材制造过程中基板材料的扩散，防止了各种脆性中间相的形成，无需切除过渡区，极大提升了工件整体性能和材料利用率。再通过添加LaB6粉末，利用原位反应吸收基体粉末中的游离氧，达到提纯消除有害物质的目的，进一步增加中熵合金的强度和韧性。
[0026]本申请所述制备方法采用球磨混粉技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种中熵合金复合材料，其特征在于，包括95～99.9wt％的CrCoNi中熵合金基体粉末和0.1～5wt％的LaB6粉末。2.根据权利要求1所述中熵合金复合材料，其特征在于，所述CrCoNi中熵合金基体粉末的粒径包括≤53μm和/或53～150μm。3.根据权利要求1所述中熵合金复合材料，其特征在于，所述LaB6粉末的粒径为0～50nm、50～500nm和/或0.5～5μm。4.根据权利要求2所述中熵合金复合材料，其特征在于，所述CrCoNi中熵合金基体粉末由20～50atom％Cr、20～50atom％Co和20～50atom％Ni组成。5.一种如权利要求1
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4任一所述中熵合金复合材料的制备方法，其特征在于，通过下述步骤制备而得：将CrCoNi中熵合金基体粉末和LaB6粉末按比例混合后经球磨混合。6.根据权利要求5所述中熵合金复合材料的制备方法，其特征在于，所述球磨混合时，球料比为2:1～0.3:1，混合时间为2～5h，球磨机的旋转速度为300～600r/min。7.根据权利要求5所述中熵合金复合材料的制备方法，其特征在于，所述球磨混合时，每15～45min改变球磨机的旋转方向。8.一种如权...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯凯，李铸国，韩帛伦，王志远，张显程，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：