一种具有低膨胀系数的多主元合金沉积涂层、制备方法

本发明属于金属合金，涉及一种具有低膨胀系数的多主元合金沉积涂层、制备方法。

背景技术：

1、激光表面工程技术是近十几年迅速发展的材料表面新技术，是材料科学最新领域之一，涉及物理学、材料学、化学、界面力学和冶金学等多学科交叉。以激光金属沉积为代表的激光表面工程技术能够实现热输入的准确控制，可以获得组织致密、性能优越的涂层，解决许多传统表面强化技术难以解决的技术难题，已成为国内外学者的研究热点，并且在近年来得到了迅速发展。

2、采用激光金属沉积等表面工程技术形成的涂层存在易开裂的问题，这将导致涂层的服役寿命迅速降低，大大降低涂层的使用效率，因此，激光金属沉积等形成的涂层易开裂的问题一直是阻碍该技术大范围应用的共性难题。

3、残余应力是导致涂层开裂的主要原因，而残余应力很大部分来自于涂层材料和基体材料因热膨胀系数差异而形成的热应力。因此，降低涂层材料和基体材料之间因热膨胀系数差异而产生的热应力是有效解决涂层开裂难题的有效方式。国内外学者为解决这一问题进行了大量实验和理论研究，包括基体预热、调整加工参数、引入过渡层、改良沉积材料、多物理场耦合加工等。这些技术在一定程度上降低了涂层裂纹敏感性。然而，这些技术也存在着效率低、操作复杂和成本高等问题，难以适应工程领域对该技术的要求。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种具有低膨胀系数的多主元合金沉积涂层、制备方法，以解决现有激光表面工程领域中涂层裂纹敏感性高、力学性能差等问题。

2、为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

3、残余应力是导致涂层开裂的主要原因，而残余应力很大部分来自于涂层材料和基体材料因热膨胀系数差异而形成的热应力，其中，合金中的热膨胀特性主要是根据合金材料本身晶格非简谐振动造成的正热膨胀和磁体积效应叠加决定的。

4、基于此，本申请中采用具有自发磁体积效应的fe粉、ni粉和co粉为基础，结合多主元高熵合金材料设计理念，与cr粉混合后配制fe-co-ni-cr多主元合金粉末，然后通过电磁辅助激光沉积的方式在金属基体表面沉积形成沉积涂层。

5、该沉积涂层在成型过程中，通过静磁场和直流电流产生电磁场，进而产生洛伦兹力。熔融后的金属粉末形成的熔池过程中，洛伦兹力能够作用于熔池的凝固过程，改善熔池内部的传质和传热，从而提高涂层的力学性能。另外，由于静磁场和直流电流直接产生电磁效应，该洛伦兹力可以细化涂层的微观组织，分布更加均匀；同时对涂层微观组织的细化效应可以分布于涂层深处，避免了集肤效应的产生。根据霍尔佩奇准则，材料的强度与晶粒尺寸的倒数正相关，因此，微观组织的细化可以提高涂层的力学性能高，且相对于交变磁场辅助激光金属沉积的效率有了较大提升。

6、本申请中，以高纯度fe粉、ni粉、co粉和cr粉为多主元合金粉末，通过电磁辅助激光沉积形成的沉积涂层具有热膨胀系数低的特性，平均热膨胀为1.8×10-6/k，涂层硬度为750-860hv。

7、具体的，沉积涂层的制备原料按照质量百分比包括：fe粉41.7-44.0%、ni粉9.4-13.7%、cr粉7.6-8.0%，其余为co粉，其中，fe粉、ni粉、co粉和cr粉的纯度均≥98%。较为优选的，沉积涂层的制备原料按照质量百分比包括：fe粉41.8%、ni粉9.4%、cr粉7.6%，co粉41.2%。

8、本申请提供一种具有低膨胀系数的多主元合金沉积涂层的制备方法，该方法包括：

9、s01：按照质量配比分别称取fe粉、ni粉、cr粉和co粉后，放入球磨机中干磨1-3h，得到目粒度为200-400目的混合粉末。

10、将高纯度fe粉、ni粉、cr粉和co粉按照配比分别准确称量后，倒入球磨机中干磨1-3h，使混合粉末的目粒度控制在200-400目之间，得到目粒度为200-400目的混合粉末。其中，高纯度fe粉、ni粉、cr粉和co粉按照质量百分比为：fe粉41.7-44.0%、ni粉9.4-13.7%、cr粉7.6-8.0%，其余为co粉。

11、s02：将所述混合粉末平铺在处理好的金属基体表面后进行干燥处理。

12、采用150#sic砂纸打磨金属基体，以祛除表面的杂质。其中，在打磨金属基体表面时要求打磨面平整，最后用无水乙醇在超声清洗机中清洗。本申请中的金属基体为各类碳钢和不锈钢。

13、将混合粉末与无水乙醇混合后平铺在处理好的金属基体表面，其中，混合粉末的平铺厚度为1.1-1.5mm。将铺有混合粉末的金属基体放入真空干燥炉中，在温度为200-300℃下烘干0.5-1h，以去除金属基体表面的水分以及混合粉末中的无水乙醇。

14、s03：将干燥后的金属基体进行电磁辅助激光金属沉积，得到沉积涂层。

15、将干燥后的金属基体放在附图1所示的电磁辅助激光金属沉积工作台上进行电磁辅助激光金属沉积，得到沉积涂层。其中，电磁辅助激光金属沉积的加工参数为：激光功率：800-1500w；扫描速度：3-8mm/s；光斑直径：3-6mm；直流电流：2-10a；磁场强度：0.1-0.5t；采用高纯氮气作为防护气体，流量设置在30-40l/min。

16、本发明具有以下有益效果：

17、（1）本申请采用具有自发磁体积效应的fe粉、ni粉和co粉为基础，结合多主元高熵合金材料设计理念，与cr粉混合后配制fe-co-ni-cr多主元合金粉末，然后通过电磁辅助激光沉积的方式在金属基体表面沉积形成沉积涂层。该沉积涂层具有热膨胀系数低的特性，平均热膨胀系数为1.8×10-6/k，涂层硬度为750-860hv；沉积涂层内部微观组织致密、无裂纹和气孔等缺陷。

18、（2）本申请中的沉积涂层成型过程中，静磁场和直流电流产生电磁场，进而产生洛伦兹力。熔融后的金属粉末形成的熔池过程中，洛伦兹力能够作用于熔池的凝固过程，改善熔池内部的传质和传热，从而提高涂层的力学性能。另外，洛伦兹力还可以细化涂层的微观组织，分布更加均匀；同时对涂层微观组织的细化效应可以分布于涂层深处，避免了集肤效应的产生。根据霍尔佩奇准则，材料的强度与晶粒尺寸的倒数正相关，因此，微观组织的细化可以提高涂层的力学性能高，且相对于交变磁场辅助激光金属沉积的效率有了较大提升。

19、（3）本申请中的电磁辅助成型方法不会改变沉积涂层的物相种类，且对平均热膨胀系数的影响较小，但会影响沉积涂层的微观结构，因此，通过改变电磁场的电流和静磁场的大小，可以方便快捷地改善沉积涂层的显微组织，调节涂层的相关力学性能，满足多种工况需求。

20、（4）本申请中的沉积涂层具有高熵合金特性，且力学性能优越、材料价格低廉，适用于批量生产。

21、（5）本申请中的电磁辅助激光金属沉积设备具有小型化、易拆卸等特点，可在有限工作空间内作业。

技术特征：

1.一种具有低膨胀系数的多主元合金沉积涂层，其特征在于，所述沉积涂层以具有自发磁体积效应的fe粉、ni粉和co粉为基础，与cr粉混合后通过电磁辅助激光沉积形成平均低膨胀系数为1.8×10-6/k的沉积涂层。

2.根据权利要求1所述的具有低膨胀系数的多主元合金沉积涂层，其特征在于，所述沉积涂层的制备原料按照质量百分比包括：fe粉41.7-44.0%、ni粉9.4-13.7%、cr粉7.6-8.0%，其余为co粉。

3.根据权利要求1所述的具有低膨胀系数的多主元合金沉积涂层，其特征在于，所述沉积涂层的制备原料按照质量百分比包括：fe粉41.8%、ni粉9.4%、cr粉7.6%，co粉41.2%。

4.根据权利要求1所述的具有低膨胀系数的多主元合金沉积涂层，其特征在于，fe粉、ni粉、cr粉和co粉的纯度均≥98%。

5.一种具有低膨胀系数的多主元合金沉积涂层的制备方法，其特征在于，包括：

6.根据权利要求5所述的具有低膨胀系数的多主元合金沉积涂层的制备方法，其特征在于，所述电磁辅助激光金属沉积的加工参数为：激光功率：800-1500w；扫描速度：3-8mm/s；光斑直径：3-6mm；直流电流：2-10a；磁场强度：0.1-0.5t；采用高纯氮气作为防护气体，流量设置在30-40l/min。

7.根据权利要求5所述的具有低膨胀系数的多主元合金沉积涂层的制备方法，其特征在于，干燥处理温度为200-300℃，干燥时间为0.5-1h。

8.根据权利要求5所述的具有低膨胀系数的多主元合金沉积涂层的制备方法，其特征在于，所述混合粉末在所述金属基体表面的平铺厚度为1.1-1.5mm。

技术总结本申请提供一种具有低膨胀系数的多主元合金沉积涂层、制备方法，该沉积涂层采用具有自发磁体积效应的Fe粉、Ni粉和Co粉为基础，结合多主元高熵合金材料设计理念，与Cr粉混合后配制Fe‑Co‑Ni‑Cr多主元合金粉末，然后通过电磁辅助激光沉积的方式在金属基体表面沉积形成。该沉积涂层具有低热膨胀系数特性和高熵合金特性，平均热膨胀系数为1.8×10<supgt;‑6</supgt;/K，涂层硬度为750‑860HV；沉积涂层内部微观组织致密、无裂纹和气孔等缺陷，材料价格低廉，适用于批量生产。通过改变电磁场的电流和静磁场的大小，可以方便快捷地改善沉积涂层的显微组织，调节涂层的相关力学性能，满足多种工况需求。技术研发人员：齐康,孙钦鹏,刘相民,蒋龙受保护的技术使用者：山东建筑大学技术研发日：技术公布日：2024/11/4