[发明专利]一种表面高熵合金梯度冶金层的增材制备方法

说明书

技术领域

本发明属于表面合金化领域，尤其涉及一种表面高熵合金梯度冶金层的制备方法。

背景技术

随着工业的发展，在航空航天、汽车、电子及生物领域中对于结构件表面性能的要求越来越高。表面合金化可以有效提高金属材料表面的耐磨性、耐腐蚀性、耐高温氧化性以及表面强度。传统的表面强化方法主要包括渗碳、渗氮、渗金属等。虽然上述方法较为成熟并且应用相当广泛，但是由于存在加热温度高，处理周期长，能量消耗大所带来的成本问题和环境问题，特别是对合金层成分的控制方面已不能满足工业日益增长的需要。因此需要一种新型的材料表面处理技术来解决以上问题。

激光熔化沉积技术作为一种新型的材料表面处理技术，具有能量密度高，热影响区小等特点，被认为是制备复合材料层理想方法之一。激光熔化沉积技术是基于激光熔覆技术并结合快速成型技术发展起来的先进增材加工技术。LMD具有高的加热和冷却速率，对基体的热影响小，冶金层晶粒细小且分布均匀，冶金层与基体的结合强度高。

高熵合金是由五种或者五种以上的合金元素按照相等物质的量或相近物质的量混合组成的合金，具有热力学上的高熵效应、动力学上的缓慢扩散效应、结构上的严重晶格畸变效应及性能上的鸡尾酒效应等特性，与传统合金相比，具有优秀的力学性能、物理性能及化学性能，能同时兼具高硬度、耐温性和耐磨性，在表面合金化领域应用潜力巨大。同时，高熵合金组织结构的重要特征是简单的相组成，这为合金的设计和分析提供了方便。但是高熵合金中组元数众多，且没有相图可以参照，选取合适的成分来获得所需的相组成就显得格外重要。长期以来，合金的设计研发主要依靠经验的积累，采用传统的“试错法”研究组元变化对合金组织和性能的影响，该方法不仅研发效率低下，而且会消耗大量的人力和物力。随着计算材料科学的发展，相图计算(CALculation of PHAse Diagrams，CALPHAD)逐渐成熟，已发展成为材料设计的有力工具。相图计算方法是建立在实验数据基础上，合乎热力学原理的相图再现过程。为提高设计效率和成本，本发明基于相图计算对高熵合金进行成分设计。

因此，LMD技术在制备高熵合金冶金层时具有工艺的高效可行性。但同时，LMD的加热和冷却速度都极快，这势必会造成冶金层与基体材料之间的热膨胀系数的差异，往往会导致冶金层中出现裂纹和韧性不足等问题。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的层间冶金结合不良、生产成本高、冶金层中有裂纹以及塑韧性差等缺陷，发明了一种表面高熵合金梯度冶金层的增材制备方法，通过引入过渡层实现梯度冶金层的制备，可以增强成型件的柔性，降低制造成本，表面的高熵合金层能够很好的满足成形件对表面性能的需求，可以提高冶金层和基体之间的结合强度，能够有效地抑制冶金层的开裂问题。

本发明的技术方案是：

一种表面高熵合金梯度冶金层的增材制备方法，步骤如下：

步骤一：通过相图计算获得高熵合金成分，根据成形件表面服役条件，结合高熵合金层预期性能，对高熵合金组元进行选择；

步骤二：设计LMD工艺策略，制定不同梯度涂层送粉方案，所述冶金层为梯度冶金层，每层成分梯度渐变：LMD工艺设计为激光多层熔化沉积，自下而上逐层增加混合粉末中合金粉末含量；不同梯度涂层送粉方案制定为设计多路且可分离控制的送粉系统；

通过该送粉系统实时改变混合粉末中合金粉末和基体粉末的配比，达到每层冶金层化学成分的逐步变化，高效实现功能复杂的冶金层。

步骤三：激光熔化沉积加工，获得高熵合金梯度冶金层。

进一步，所述的步骤一具体如下：

1.1，在选择合金组元时应遵循以下原则：

至少选择5个以上的组元以获得高混合熵；

最大原子半径差小于12％；

合金混合焓在﹣40到10KJ/mol范围内；

每种组分的含量在5％到35％范围内；

1.2，根据公式，原子半径差和混合焓

式中：c_i(c_j)为组元i(j)摩尔比，r_i表示i组元的原子半径，r_a表示原子平均半径，表示二元液态合金的混合焓。