一种H13钢表面TiC增强AlCoCrFeNi

一种h13钢表面tic增强alcocrfeni
2.1
涂层及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及激光熔覆技术领域，具体涉及一种h13钢表面tic增强alcocrfeni
2.1
涂层及其制备方法。


背景技术：

2.激光熔覆是一种先进的表面改性技术，它是利用高能激光束使添加在表面的金属基材料及基材的表面薄层熔化，形成具有特殊功能及低稀释率并且与基材结合为冶金结合的涂层，从而在金属工件表面获得具有耐磨、耐腐蚀、抗氧化和耐高温等优异性能的技术。激光熔覆可以在低成本的材料上制备高性能的涂层，所以它可以降低能耗，节约成本。激光熔覆形成的是冶金结合，与常规的表面涂覆强化工艺相比，激光熔覆具有以下显著特点：1 .熔覆层具有组织致密、晶粒细化等典型快速凝固特征；2 .热输入和畸变较小，涂层稀释率低；3 .能进行选区熔覆，材料消耗少，具有卓越的性能价格比；4 .激光束可以瞄准难以接近的区域进行熔覆；5 .工艺过程易于实现自动化。
3.近年来，随着材料科学、计算机技术与数控技术的飞速发展，激光熔覆所具备的优势及特点使得该技术在零件修复、梯度功能材料制备以及零件的三维打印直接成形等方面显示出了巨大的应用潜力。
4.h13钢是目前行业内普遍使用的热作模具钢材料，具有较好的综合性能，但是在一些特殊服役环境需要更优异的高硬度、耐磨、耐高温等性能，为解决这个问题，同时考虑经济性，可采用激光熔覆的表面改性方法改善材料表面的组织结构。同时具有fcc和bcc相的高熵合金熔覆粉末是目前激光熔覆技术领域的研究热点，美国马萨诸塞大学阿默斯特分校和佐治亚理工大学研究者使用l-pbf打印了alcocrfeni
2.1
的双相纳米层状高熵合金获得突破在《nature》杂志在线版发表论文。tic具有高硬度、高模量、高熔点、热力学稳定等特点、因而被广泛用作复合材料的陶瓷增强相。
5.因此运用激光熔覆技术在h13钢表面制备了alcocrfeni
2.1
共晶高熵合金涂层，通过添加不同质量分数的tic含量，对alcocrfeni
2.1
涂层使粉末在基体表面均匀分布，使涂层与基体间结合强度提高，通过调整添加物tic含量，形成的熔覆层在硬度性能和耐磨性上得到提升的同时兼具韧性。


技术实现要素：

6.为解决上述技术缺陷，本发明提供了如下技术方案：本发明申请公开一种h13钢表面tic增强alcocrfeni
2.1
涂层及其制备方法，包括以下步骤：1）下料：首先将基材按照100mm
×
100mm
×
50mm 的尺寸进行下料；2）打磨和清洗：将基材打磨成粗糙的不高于12的结构，然后清洗掉基材上打磨产
生的金属粉末，并通过清洗剂将基材上存在的油污清洗干净，吹干待用；3）在实验前分别用400#、600#、800#的砂纸对其表面抛光，后分别用酒精和丙酮溶液清洗并吹干；4）熔覆材料选用alcocrfeni
2.1
合金粉末和tic颗粒的混合粉末。通过真空氩雾化获得了原始的al、co、cr、fe、ni粉末；5）根据情况选择加工参数，使用同轴送粉激光器在基体表面熔覆涂层alcocrfeni
2.1
与tic混合粉末。
7.根据本发明的一些实施方式，al、co、cr、fe、ni为球形粉末，纯度≥95%，元素粉末粒度为45~120μm，涂层粉末包括共晶高熵合金alcocrfeni
2.1
，粉末成分al7~17%、co12~18%、cr15~17%、fe15~19%、ni余量，激光熔覆alcocrfeni
2.1
粉末及alcocrfeni
2.1
与tic混合粉末中，所述tic颗粒的平均粒度为5~45μm。
8.根据本发明的一些实施方式，本方案中改进合金粉末配方，增加tic并调整其配比，混合粉末中tic颗粒的质量分数分别为0%、3%、6%、9%，形成的熔覆层在硬度上得到提升。
9.根据本发明的一些实施方式，激光器采用熔覆机器人，光斑直径为φ3mm，送粉速度10g/min，搭接率33%，通过同轴送粉，以高纯度氩气作为保护气体，保护气体流量15l/min进行激光熔覆。激光功率采用1200w，扫描速度6mm/s，进行单层激光熔覆，熔覆厚度约为0.8mm。
10.根据本发明的一些实施方式，熔覆前对h13钢基材进行表面打磨、清洗及吹干处理，提高熔覆层于基体的结合稳定性。
11.与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明以双相高熵合金alcocrfeni
2.1
粉末配合少量tic硬质相，通过真空氩雾化获得了原始的al、co、cr、fe、ni球形粉末，纯度≥95%，获得元素粉末粒度为45~120μm，调整比例使tic质量分数分别为0%、3%、6%、9%，对alcocrfeni
2.1
涂层使粉末在基体表面均匀分布，使涂层与基体间结合强度提高，通过调整添加物tic含量，形成的熔覆层在硬度性能和耐磨性上得到提升的同时兼具韧性。
附图说明
12.下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：图1为本发明实施例一至四中om图；图2为本发明实施例一至四中显微硬度曲线图；图3为本发明实施例一至四中摩擦系数图；图4为本发明实施例一至四中磨损质量损失图；图5为本发明实施例一和四中磨损显微组织图；附图标记：图1（a）实施例一；（b）实施例二；（c）实施例三；（d）实施例四；图5（a）、（b）实施例一；（c）、（d）实施例四。
实施方式
13.下面结合实例对本发明作进一步说明。
实施例
14.一种h13钢表面tic增强alcocrfeni
2.1
涂层及其制备方法，包括以下步骤：1）下料：首先将基材按照100mm
×
100mm
×
50mm 的尺寸进行下料；2）打磨和清洗：将基材打磨成粗糙的不高于12的结构，然后清洗掉基材上打磨产生的金属粉末，并通过清洗剂将基材上存在的油污清洗干净，吹干待用；3）在实验前分别用400#、600#、800#的砂纸对其表面抛光，后分别用酒精和丙酮溶液清洗并吹干；4）熔覆材料选用alcocrfeni
2.1
合金粉末和tic颗粒的混合粉末。通过真空氩雾化获得了原始的al、co、cr、fe、ni粉末；5）根据情况选择加工参数，使用同轴送粉激光器在基体表面熔覆涂层alcocrfeni
2.1
与tic混合粉末。
15.所述涂层粉末包括共晶高熵合金alcocrfeni
2.1
，al、co、cr、fe、ni为球形粉末，纯度≥95%，元素粉末粒度为45~120μm，粉末成分质量分数al3.19%、co13.93%、cr13.87%、fe13.20%、ni55.81%，激光熔覆alcocrfeni
2.1
粉末及alcocrfeni
2.1
与tic混合粉末中，所述tic颗粒的平均粒度为5~45μm。
16.所述熔覆粉末alcocrfeni
2.1
不添加tic。
17.所述激光器采用熔覆机器人，光斑直径为φ3mm，送粉速度10g/min，搭接率33%，通过同轴送粉，以高纯度氩气作为保护气体，保护气体流量15l/min进行激光熔覆。激光功率采用1200w，扫描速度6mm/s，进行单层激光熔覆，熔覆厚度约为0.8mm。
实施例
18.一种h13钢表面tic增强alcocrfeni
2.1
涂层及其制备方法，包括以下步骤：1）下料：首先将基材按照100mm
×
100mm
×
50mm 的尺寸进行下料；2）打磨和清洗：将基材打磨成粗糙的不高于12的结构，然后清洗掉基材上打磨产生的金属粉末，并通过清洗剂将基材上存在的油污清洗干净，吹干待用；3）在实验前分别用400#、600#、800#的砂纸对其表面抛光，后分别用酒精和丙酮溶液清洗并吹干；4）熔覆材料选用alcocrfeni
2.1
合金粉末和tic颗粒的混合粉末。通过真空氩雾化获得了原始的al、co、cr、fe、ni粉末；5）根据情况选择加工参数，使用同轴送粉激光器在基体表面熔覆涂层alcocrfeni
2.1
与tic混合粉末。
19.所述涂层粉末包括共晶高熵合金alcocrfeni
2.1
，al、co、cr、fe、ni为球形粉末，纯度≥95%，元素粉末粒度为45~120μm，粉末成分质量分数al3.10%、co13.53%、cr13.48%、fe12.82%、ni54.17%，tic2.9%激光熔覆alcocrfeni
2.1
粉末及alcocrfeni
2.1
与tic混合粉末中，所述tic颗粒的平均粒度为5~45μm。
20.所述激光器采用熔覆机器人，光斑直径为φ3mm，送粉速度10g/min，搭接率33%，通过同轴送粉，以高纯度氩气作为保护气体，保护气体流量15l/min进行激光熔覆。激光功率采用1200w，扫描速度6mm/s，进行单层激光熔覆，熔覆厚度约为0.8mm。
实施例
21.一种h13钢表面tic增强alcocrfeni
2.1
涂层及其制备方法，包括以下步骤：1）下料：首先将基材按照100mm
×
100mm
×
50mm 的尺寸进行下料；2）打磨和清洗：将基材打磨成粗糙的不高于12的结构，然后清洗掉基材上打磨产生的金属粉末，并通过清洗剂将基材上存在的油污清洗干净，吹干待用；3）在实验前分别用400#、600#、800#的砂纸对其表面抛光，后分别用酒精和丙酮溶液清洗并吹干；4）熔覆材料选用alcocrfeni
2.1
合金粉末和tic颗粒的混合粉末。通过真空氩雾化获得了原始的al、co、cr、fe、ni粉末；5）根据情况选择加工参数，使用同轴送粉激光器在基体表面熔覆涂层alcocrfeni
2.1
与tic混合粉末。
22.所述涂层粉末包括共晶高熵合金alcocrfeni
2.1
，al、co、cr、fe、ni为球形粉末，纯度≥95%，元素粉末粒度为45~120μm，粉末成分质量分数al3.01%、co13.13%、cr13.08%、fe12.45%、ni52.63%，tic5.7%激光熔覆alcocrfeni
2.1
粉末及alcocrfeni
2.1
与tic混合粉末中，所述tic颗粒的平均粒度为5~45μm。
23.所述激光器采用熔覆机器人，光斑直径为φ3mm，送粉速度10g/min，搭接率33%，通过同轴送粉，以高纯度氩气作为保护气体，保护气体流量15l/min进行激光熔覆。激光功率采用1200w，扫描速度6mm/s，进行单层激光熔覆，熔覆厚度约为0.8mm。
实施例
24.一种h13钢表面tic增强alcocrfeni
2.1
涂层及其制备方法，包括以下步骤：1）下料：首先将基材按照100mm
×
100mm
×
50mm 的尺寸进行下料；2）打磨和清洗：将基材打磨成粗糙的不高于12的结构，然后清洗掉基材上打磨产生的金属粉末，并通过清洗剂将基材上存在的油污清洗干净，吹干待用；3）在实验前分别用400#、600#、800#的砂纸对其表面抛光，后分别用酒精和丙酮溶液清洗并吹干；4）熔覆材料选用alcocrfeni
2.1
合金粉末和tic颗粒的混合粉末。通过真空氩雾化获得了原始的al、co、cr、fe、ni粉末；5）根据情况选择加工参数，使用同轴送粉激光器在基体表面熔覆涂层alcocrfeni
2.1
与tic混合粉末。
25.所述涂层粉末包括共晶高熵合金alcocrfeni
2.1
，al、co、cr、fe、ni为球形粉末，纯度≥95%，元素粉末粒度为45~120μm，粉末成分质量分数al2.92%、co12.74%、cr12.68%、fe12.07%、ni50.99%，tic8.6%激光熔覆alcocrfeni
2.1
粉末及alcocrfeni
2.1
与tic混合粉末中，所述tic颗粒的平均粒度为5~45μm。
26.所述激光器采用熔覆机器人，光斑直径为φ3mm，送粉速度10g/min，搭接率33%，通过同轴送粉，以高纯度氩气作为保护气体，保护气体流量15l/min进行激光熔覆。激光功率采用1200w，扫描速度6mm/s，进行单层激光熔覆，熔覆厚度约为0.8mm。
27.图1通过扫描电镜对熔覆层的组织进行分析发现：实例中熔覆层下层为块状晶，中层及表层为树枝晶及等轴晶，部分c、ti等元素与tic在熔覆层中结合形成硬质相，可促使晶
粒细化，提高硬度。
28.图2所示为不同含量tic涂层的显微硬度曲线。可以看到，h13钢基体材料的平均硬度只有260hv
0.5
，熔覆alcocrfeni
2.1
粉末的涂层硬度较基体有显著提升，平均硬度提高到了430hv
0.5
。未添加tic涂层的平均硬度也达到了400hv
0.5
，相比于基体高出153.8%；添加5.7wt%tic涂层最高硬度达到了450hv
0.5
，平均硬度有425hv
0.5
，比基体的平均硬度高出了163.5%，比2.9wt%tic涂层高出2.4%图3为各涂层的摩擦系数曲线基体h13钢的平均摩擦系数为3.6，alcocrfeni
2.1
涂层的摩擦系数为0.8，可能因为共晶高熵合金中存在的fcc相较多，起到很好的润滑作用，2.9wt%tic涂层平均摩擦系数为1.1，较基体有所降低。
29.图4为h13钢和各涂层的磨损质量损失，可以看出磨损量随tic含量递增而递减，h13钢磨损量为0.0107g是最大的，磨损量最小是0.0007g为8.6wt%tic样品。
30.图5可以看出，本方案在实例中的熔覆层硬度相比h13钢基体的硬度得到大幅提升，添加了tic的高熵合金涂层相比未添加的硬度也得到提升。
31.以上实例的粉末组分质量百分比（wt%）依据表1，如下所示表1 合金粉末组分质量百分比（wt%）xalcocrfeni实例一03.1913.9313.8713.2055.81实例二2.93.1013.5313.4812.8254.17实例三5.73.0113.1313.0812.4552.63实例四8.62.9212.7412.6812.0750.99以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种h13钢表面tic增强alcocrfeni
2.1
涂层及其制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1）下料：首先将基材按照100mm
×
100mm
×
50mm 的尺寸进行下料；2）打磨和清洗：将基材打磨成粗糙的不高于12的结构，然后清洗掉基材上打磨产生的金属粉末，并通过清洗剂将基材上存在的油污清洗干净，吹干待用；3）在实验前分别用400#、600#、800#的砂纸对其表面抛光，后分别用酒精和丙酮溶液清洗并吹干；4）熔覆材料选用alcocrfeni
2.1
合金粉末和tic颗粒的混合粉末。通过真空氩雾化获得了原始的al、co、cr、fe、ni粉末；5）根据情况选择加工参数，使用同轴送粉激光器在基体表面熔覆涂层alcocrfeni
2.1
与tic混合粉末。2.如权利要求1所述的一种h13钢表面tic增强alcocrfeni
2.1
涂层及其制备方法，其特征在于：al、co、cr、fe、ni为球形粉末，纯度≥95%，元素粉末粒度为45~120μm，涂层粉末包括共晶高熵合金alcocrfeni
2.1
，粉末成分al7~17%、co12~18%、cr15~17%、fe15~19%、ni余量，激光熔覆alcocrfeni
2.1
粉末及alcocrfeni
2.1
与tic混合粉末中，所述tic颗粒的平均粒度为5~45μm。3.如权利要求1所述的一种h13钢表面tic增强alcocrfeni
2.1
涂层及其制备方法，其特征在于：将熔覆粉末按照一定比例混合，混合粉末中tic颗粒的质量分数分别为0%、3%、6%、9%，并用混粉机研磨4-5h，在150℃烘干机中烘干2h。4.如权利要求1所述的一种h13钢表面tic增强alcocrfeni
2.1
涂层及其制备方法，其特征在于：激光器采用熔覆机器人，光斑直径为φ3mm，送粉速度10g/min，搭接率33%，通过同轴送粉，以高纯度氩气作为保护气体，保护气体流量15l/min进行激光熔覆。激光功率采用1200w，扫描速度6mm/s，进行单层激光熔覆，熔覆厚度约为0.8mm。

技术总结
本发明公开了一种H13钢表面TiC增强AlCoCrFeNi


技术研发人员：景财年 杨楚 徐俊杰 李宁 刘泽姣 林涛
受保护的技术使用者：山东建筑大学
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/8/21