本發(fā)明涉及金屬材料激光成型技術(shù)，尤其涉及一種alcocrfeni2.1共晶高熵合金及其激光選區(qū)增材制造制備方法。

背景技術(shù)：

高熵合金作為一種突破傳統(tǒng)合金設(shè)計(jì)理念的、由多種主元組成的新型合金，近年來引起研究學(xué)者的廣泛關(guān)注。高熵合金因?yàn)橛啥喾N元素以等原子比例或近等原子比例組成，使得高熵合金具有熱力學(xué)上的高熵和晶格畸變效應(yīng)、動(dòng)力學(xué)上的遲滯擴(kuò)散和“雞尾酒”效應(yīng)，這種特殊的效應(yīng)使高熵合金具備一系列獨(dú)特的性能。fcc結(jié)構(gòu)的高熵合金表現(xiàn)出很好的塑性但是強(qiáng)度低，bcc結(jié)構(gòu)的高熵合金強(qiáng)度高但是塑性差，這限制了合金在實(shí)際應(yīng)用。alcocrfeni2.1共晶高熵合金由fcc和bcc雙相組成，fcc和bcc相的結(jié)合使得alcocrfeni2.1共晶高熵合金具備良好的綜合力學(xué)性能，并且共晶結(jié)構(gòu)相對低的熔點(diǎn)和窄的共晶凝固間隔有利于合金缺陷的減少、容易成型，基于此，alcocrfeni2.1共晶高熵合金具有極佳的應(yīng)用前景和商業(yè)價(jià)值。

目前制備高熵合金主要用熔鑄法，因?yàn)楦哽睾辖鹩啥喾N主元組成，在制備過程中出現(xiàn)成分不均勻，元素偏析等現(xiàn)象，并且熔鑄法制備的樣品充型能力差，制備樣式單一，損耗量大，后期加工步驟復(fù)雜等缺點(diǎn)，極大地限制了高熵合金的發(fā)展和應(yīng)用。

激光選區(qū)增材制造技術(shù)是基于分層制造原理，以高能量的激光為熱源，金屬粉末為原料，在基體上逐層累加成型，可直接將數(shù)字化模型制造為實(shí)體零部件的一種高智能化的新型制造技術(shù)，這種方法制備金屬零部件具有材料利用率高、加熱和冷卻速度都比較快、其可以形成均勻致密且顯微組織細(xì)小、合金中元素分布均勻、微觀缺陷顯著減少、工藝流程短等優(yōu)點(diǎn)。鑒于以上，激光選區(qū)增材制造技術(shù)為制備形狀復(fù)雜、致密、微觀組織均勻細(xì)小、性能優(yōu)異的高熵合金構(gòu)件提供了一種新的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，針對上述問題，提出一種alcocrfeni2.1共晶高熵合金的激光選區(qū)增材制造制備方法，該方法利用選區(qū)激增材制造的高的冷卻速度實(shí)現(xiàn)了高致密、顯微組織細(xì)小的共晶高熵合金的制備，本方法具有效率高、得到的合金質(zhì)量好、自動(dòng)化程度高的優(yōu)點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種alcocrfeni2.1共晶高熵合金的激光選區(qū)增材制造制備方法，包括以下步驟：

s1、alcocrfeni2.1共晶高熵合金按照配比稱取原料al、co、cr、fe和ni；各原料純度≥99.9％；

s2、將步驟s1中的原料混合并合金化處理；

s3、將步驟s2中合金化處理的樣品制備成alcocrfeni2.1預(yù)合金粉末；

s4、將步驟s3中的預(yù)合金粉末放入干燥箱中，在真空環(huán)境下加熱至120-150℃進(jìn)行干燥處理3-5小時(shí)，隨箱冷卻并將粉末加入至激光選區(qū)增材制造設(shè)備送粉缸內(nèi)；

s5、將304不銹鋼成型基板待沉積表面清理后安裝在成型平臺上并調(diào)平；

s6、啟動(dòng)激光選區(qū)增材制造設(shè)備并設(shè)置激光選區(qū)增材制造掃描路徑和工藝參數(shù)；

s7、在惰性氣體的保護(hù)下、根據(jù)設(shè)定的激光選區(qū)增材制造掃描路徑和工藝參數(shù)將alcocrfeni2.1預(yù)合金粉末逐層熔化成型在304不銹鋼成形基板上，制備出塊體alcocrfeni2.1高熵合金。

進(jìn)一步地，在步驟s2中合金化處理方法為鑄造。

進(jìn)一步地，在步驟s3中制備alcocrfeni2.1預(yù)合金粉末的方法為霧化制粉方法，制備得到的alcocrfeni2.1預(yù)合金粉末為球狀結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步地，所述alcocrfeni2.1預(yù)合金粉末的粒徑分布在10-45μm間，平均粒徑為23.86μm。

進(jìn)一步地，在步驟s5中成形基板待沉積表面的清理，包括如下步驟：基板預(yù)先用噴砂機(jī)在上表面進(jìn)行噴砂處理，并用丙酮洗凈，以除去表面雜物，然后用酒精清洗，吹干。

進(jìn)一步地，步驟s6中設(shè)置激光選區(qū)增材制造工藝參數(shù)包括：激光功率130w-160w；掃描速度800-1000mm/s；單道間距0.1mm；鋪粉層厚度0.2-0.4mm。

進(jìn)一步地，步驟s7中所述的惰性氣體為高純度的氬氣。

本發(fā)明的另一個(gè)目的還公開了一種alcocrfeni2.1共晶高熵合金，采用上述方法制備而成，該共晶高熵合金具有高強(qiáng)度、好塑性的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明alcicrfeni2.1共晶高熵合金與鑄造制備的合金相比，致密度高、晶粒細(xì)小、具有更好的拉伸力學(xué)性能。

本發(fā)明alcocrfeni2.1共晶高熵合金的激光選區(qū)增材制造制備方法原理如下：

首先，將涉及到的合金原料按一定的比例合金化處理，并將合金化好的樣品通過霧化制粉方法制備預(yù)合金粉末，然后對預(yù)合金粉末進(jìn)行除水和氧處理；最后，用選區(qū)激光熔化沉積設(shè)備按照合理的規(guī)劃路徑和工藝參數(shù)在高純度氬氣的保護(hù)下，在清理好的待沉積304不銹鋼基體表面堆積成型所需要的高熵合金樣品，并且，根據(jù)對制備得到的高熵合金的微觀組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能表征來反饋調(diào)控合激光工藝參數(shù)。

本發(fā)明alcocrfeni2.1共晶高熵合金及其激光選區(qū)增材制造制備方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比較具有以下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明根據(jù)激光選區(qū)熔化沉積方法的自動(dòng)化程度高、可控性好、加熱和冷卻速度都比較快、材料利用率高、其可形成均勻、致密且細(xì)微的組織、微觀缺陷顯著減少、工藝流程短等優(yōu)點(diǎn)制備出致密度高、性能比鑄造更好的共晶高熵合金構(gòu)件。激光選區(qū)熔化沉積方法根據(jù)不同的需求可以改變激光功率、掃描速度、掃描路徑等參數(shù)，可以制備出形狀復(fù)雜，高質(zhì)量、性能優(yōu)異的高熵合金材料。本發(fā)明的樣品可定制化生產(chǎn)，有很高的商業(yè)價(jià)值。

綜上，本發(fā)明提供一種激光選區(qū)增材制造的方法制備高致密、力學(xué)性能優(yōu)異的共晶高熵合金的方法，該方法能夠在短時(shí)間內(nèi)制備出形狀復(fù)雜，微觀組織細(xì)小的共晶高熵合金構(gòu)件，該方法成型速度快，原料利用率高，工作效率高、同時(shí)提高了合金質(zhì)量。

附圖說明

圖1為激光選區(qū)增材制造設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為激光選區(qū)增材制造掃描策略圖，其中(a)相鄰層掃描方向調(diào)整改變一定的角度、(b)同一層帶狀掃描策略；

圖3為alcocrfeni2.1高熵合金金屬粉末的sem掃描及粒徑分布圖，其中(a)為sem掃描圖、(b)粒徑分布圖；

圖4為alcocrfeni2.1高熵合金激光選區(qū)增材制造成型試樣圖；

圖5為alcocrfeni2.1高熵合金的x射線衍射圖譜；

圖6為alcocrfeni2.1高熵合金微觀組織二次電子掃描圖，其中(a)為增材成型，(b)為鑄態(tài)；

圖7為alcocrfeni2.1高熵合金的slm試樣的dsc曲線；

圖8為alcocrfeni2.1高熵合金的拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的目的是為制備高致密，性能優(yōu)異的alcocrfeni2.1共晶高熵合金提供一種激光選區(qū)增材制造制備方法。本發(fā)明公開了激光選區(qū)增材制造工藝參數(shù)范圍，包括：激光功率、掃描速度、鋪粉層厚度和單道間距，并總結(jié)了激光選區(qū)增材制造熔化沉積工藝參數(shù)對所制備得到的合金致密度、成型能力等性能的影響，然后根據(jù)總結(jié)的規(guī)律找出最合適的激光選區(qū)增材制造工藝參數(shù)，成功制備出微觀組織細(xì)小、致密度高、力學(xué)性能優(yōu)異的alcocrfeni2.1共晶高熵合金。

本發(fā)明采用的激光選區(qū)增材制造設(shè)備如圖1所示，該設(shè)備主要由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)1、激光器2和激光傳輸系統(tǒng)、樣品成型臺、送粉系統(tǒng)和凈化系統(tǒng)組成。激光器和激光傳輸系統(tǒng)提供并傳輸能量，利用凈化系調(diào)整腔室內(nèi)的環(huán)境，保持水氧含量小于40ppm，通過送粉系統(tǒng)將粉末鋪在成型臺上，通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制掃描路徑、激光功率等一系列參數(shù)，在成型臺上逐層成型得到塊體樣品。所述激光選區(qū)增材制造設(shè)備還包括掃描鏡3、f-θ鏡4、保護(hù)氣5、凈化器6、成型腔7、送粉腔8、基板9和鋪粉輥。

下面結(jié)合實(shí)施例和附圖說明對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，此處所描述的具體實(shí)施例包括但不僅限于以下實(shí)施例。

實(shí)施例1

本實(shí)施例提供了一種alcocrfeni2.1共晶高熵合金的激光選區(qū)增材制造制備方法，具體如下：

(1)預(yù)合金粉末的制備及處理

將al、co、cr、fe、ni5種元素按照一定的配比進(jìn)行混合并合金化處理，(其中al、co、cr、fe、ni的純度≥99.9％)，然后將合金化的樣品通過霧化制粉得到alcocrfeni2.1共晶高熵合金預(yù)合金粉末，制備得到的預(yù)合金粉末為典型的球狀結(jié)構(gòu)，粒徑大小10-45μm之間，平均粒徑為23.86μm，如圖3所示。粉末放入干燥箱中，在真空環(huán)境下加熱至120-150℃進(jìn)行干燥處理3-5個(gè)小時(shí)隨箱冷卻并將粉末加入至激光選區(qū)熔化設(shè)備送粉缸內(nèi)。

(2)成形基板材料的預(yù)處理

成形基板材料為304不銹鋼，預(yù)先用噴砂機(jī)在成形基板上表面進(jìn)行噴砂處理，并用丙酮洗凈，以除去表面雜物，然后用酒精清洗，吹干，最后將基板安裝在成型平臺上并調(diào)平。

(3)激光選區(qū)增材制造制備alcocrfeni2.1共晶高熵合金

打開激光熔化沉積設(shè)備并設(shè)置掃描路徑如圖2所示，設(shè)置激光功率、掃描速度、鋪粉層厚度、單道間距等工藝參數(shù)，工藝參數(shù)范圍如表1.1所示。在高純度氬氣的保護(hù)下在封閉的腔室內(nèi)進(jìn)行alcocrfeni2.1高熵合金粉末的選區(qū)熔化沉積實(shí)驗(yàn)，通過正交實(shí)驗(yàn)確定了最佳工藝參數(shù)(功率為130w、掃描度為1000mm/s、單道間距為0.1mm、鋪粉層厚度為0.04mm)。激光選區(qū)增材制造成型樣品為如圖4所示。

(4)激光選區(qū)增材制造成型樣品性能測試

x射線衍射分析可知，激光選區(qū)增材制造方法和鑄造所制備的alcocrfeni2.1共晶高熵合金都由fcc和b2相組成，如圖5所示。從二次電子掃描圖像可知，跟鑄造的比激光選區(qū)熔化沉積所制備的alcocrfeni2.1共晶高熵合金微觀組織更細(xì)小，如圖6所示。從dsc熱分析圖(圖7)中可以看出，在升溫和降溫的過程中，曲線上分別只有一個(gè)吸熱峰和放熱峰出現(xiàn)，這說明激光選區(qū)增材制造方法所制備的alcocrfeni2.1高熵合金為共晶組織。從圖8中的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線可知，激光選區(qū)增材制造方法所制備的alcocrfeni2.1共晶高熵合金無論拉伸塑性還是拉伸強(qiáng)度都高于鑄造所制備的alcocrfeni2.1共晶高熵合金，這是因?yàn)榧す膺x區(qū)增材制造冷卻速度高，所制備的樣品微觀組織細(xì)小，所制備的樣品致密度高，這提高了合金的綜合拉伸力學(xué)性能。

表1.1試驗(yàn)工藝參數(shù)

最后應(yīng)說明的是：以上各實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述各實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的范圍。

技術(shù)特征：

1.一種alcocrfeni2.1共晶高熵合金的激光選區(qū)增材制造制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

s1、alcocrfeni2.1共晶高熵合金按照配比稱取原料al、co、cr、fe和ni；各原料純度≥99.9％；

s2、將步驟s1中的原料混合并合金化處理；

s3、將步驟s2中合金化處理的樣品制備成alcocrfeni2.1預(yù)合金粉末；

s4、將步驟s3中的預(yù)合金粉末放入干燥箱中，在真空環(huán)境下加熱至120-150℃進(jìn)行干燥處理3-5小時(shí)，隨箱冷卻并將粉末加入至激光選區(qū)增材制造設(shè)備送粉缸內(nèi)；

s5、將304不銹鋼成型基板待沉積表面清理后安裝在成型平臺上并調(diào)平；

s6、啟動(dòng)激光選區(qū)增材制造設(shè)備，并設(shè)置激光選區(qū)增材制造掃描路徑和工藝參數(shù)；

s7、在惰性氣體的保護(hù)下、根據(jù)設(shè)定的激光選區(qū)增材制造掃描路徑和工藝參數(shù)將alcocrfeni2.1預(yù)合金粉末逐層熔化成型在304不銹鋼成形基板上，制備出塊體alcocrfeni2.1高熵合金。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述alcocrfeni2.1共晶高熵合金的激光選區(qū)增材制造制備方法，其特征在于，在步驟s2中合金化處理方法為鑄造。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述alcocrfeni2.1共晶高熵合金的激光選區(qū)增材制造制備方法，其特征在于，在步驟s3中制備alcocrfeni2.1預(yù)合金粉末的方法為霧化制粉方法，制備得到的alcocrfeni2.1預(yù)合金粉末為球狀結(jié)構(gòu)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述alcocrfeni2.1共晶高熵合金的激光選區(qū)增材制造制備方法，其特征在于，所述alcocrfeni2.1預(yù)合金粉末的粒徑分布在10-45μm間，平均粒徑為23.86μm。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述alcocrfeni2.1共晶高熵合金的激光選區(qū)增材制造制備方法，其特征在于，在步驟s5中成形基板待沉積表面的清理，包括如下步驟：基板預(yù)先用噴砂機(jī)在上表面進(jìn)行噴砂處理，并用丙酮洗凈，以除去表面雜物，然后用酒精清洗，吹干。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述alcocrfeni2.1共晶高熵合金的激光選區(qū)增材制造制備方法，其特征在于，步驟s6中設(shè)置激光選區(qū)增材制造工藝參數(shù)包括：激光功率130w-160w；掃描速度800-1000mm/s；單道間距0.1mm；鋪粉層厚度0.2-0.4mm。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述alcocrfeni2.1共晶高熵合金的激光選區(qū)增材制造制備方法，其特征在于，步驟s7中所述的惰性氣體為高純度的氬氣。

8.一種alcocrfeni2.1共晶高熵合金，其特征在于，采用權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述方法制備而成。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明提供一種AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金及其激光選區(qū)增材制造制備方法，具體公開了激光選區(qū)增材制造AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金的最佳工藝參數(shù)，包括：激光功率、掃描速度、單道間距、鋪粉層厚度，并制備得到了由FCC和BCC雙相結(jié)構(gòu)組成的AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金。本發(fā)明AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金跟鑄造的比致密度高、晶粒細(xì)小、具有更好的拉伸力學(xué)性能。本制備方案利用選區(qū)激增材制造高的冷卻速度實(shí)現(xiàn)了高致密、顯微組織細(xì)小的共晶高熵合金的制備，本制備技術(shù)制備效率高、得到的合金質(zhì)量好、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)研發(fā)人員：盧一平;阿卜杜喀迪爾·艾麥爾;李廷舉

受保護(hù)的技術(shù)使用者：大連理工大學(xué)

技術(shù)研發(fā)日：2021.05.21

技術(shù)公布日：2021.08.06