激光加工參數(shù)對Al2CoCrCuFeNiTi高熵合金涂層質(zhì)量的影響

邱星武，劉春閣

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激光加工參數(shù)對Al2CoCrCuFeNiTi高熵合金涂層質(zhì)量的影響

邱星武1，劉春閣2

(1. 四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料工程系，德陽618000；2. 四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院測繪工程系，德陽618000)

利用激光熔覆法制備Al2CoCrCuFeNiTi高熵合金涂層，研究激光加工參數(shù)對高熵合金涂層質(zhì)量的影響。結(jié)果表明：當(dāng)激光功率過小時，激光注入能量較少，涂層和基體不能形成良好的結(jié)合；當(dāng)激光功率過大時，基體材料表面熔化過多，所得稀釋率過大，造成涂層的性能下降。在保證涂層與基體結(jié)合良好的前提下，隨掃描速度增大，顯微組織變得細小均勻，耐蝕性變好。激光熔覆法制備Al2CoCrCuFeNiTi高熵合金涂層的最佳工藝參數(shù)為：激光功率=2 500 W，掃描速度=3 mm/s，熔覆粉末厚度=1.0 mm，光斑直徑=4.0 mm。

Al2CoCrCuFeNiTi高熵合金；激光熔覆；界面結(jié)合；功率；掃描速度；耐蝕性能

高熵合金即含有多種主要元素的合金，合金元素數(shù)目n≥5。之所以稱此類合金為“高熵合金”，是因為合金的熵值較高。如傳統(tǒng)二元合金以一種元素為主，其混合熵小于0.69 R(R為氣體普適常數(shù)，其值為8.31 J/ mol·K)，而當(dāng)組元數(shù)為五元、六元、七元且等摩爾比例時，合金的混合熵分別為1.61，1.79和1.95 R。如果考慮原子振動組態(tài)、電子組態(tài)、磁矩組態(tài)等的正貢獻，系統(tǒng)的熵值更大[1?4]。由于高熵效應(yīng)，高熵合金具備一系列優(yōu)異的性能，如：高硬度、高耐磨性、高耐腐蝕性、高電阻率等[5?7]。

目前，制備高熵合金的主要方法為真空電弧爐熔鑄法，其他的制備方法主要有：機械合金化法、電化學(xué)法、熱噴涂法、磁控濺射法、粉末冶金法；利用激光熔覆法制備高熵合金涂層的報道很少[8?10]，是最近發(fā)展起來的制備高熵合金的新方法。激光熔覆法的優(yōu)點在于：1) 激光束的能量密度高，加熱、冷卻速度快。激光熔覆組織是一種快速凝固組織，有利于獲得較好的性能。2) 通過激光熔覆工藝可以在傳統(tǒng)材料表面獲得性能優(yōu)異的涂層，提高基體材料表面性能，保護內(nèi)部金屬。3) 激光熔覆涂層與基體材料之間呈冶金結(jié)合。目前，激光熔覆法制備高熵合金尚處于起始階段，對于熔覆粉末種類的選擇、激光加工參數(shù)的確定等都需進行較為深入的研究。馬明星[11]等采用激光熔覆法在45鋼基體上制備了AlCoCrNiMo涂層，研究了Al含量對A1CoCrNiMo高熵合金涂層的成形質(zhì)量、微觀組織結(jié)構(gòu)、硬度的影響規(guī)律。結(jié)果表明，隨Al含量增加，AlCoCrNiMo涂層的相結(jié)構(gòu)變得簡單，網(wǎng)狀聯(lián)接物的耐腐蝕相減少，硬度降低。張暉[12]采用激光熔覆技術(shù)在低成本鐵基材料表面研制具有高硬度、高耐熱、耐腐蝕和特殊電磁等優(yōu)異綜合性能的高熵合金新材料涂層。研究表明，與通常采用的電弧爐熔煉相似成分塊體材料相比，激光熔覆技術(shù)不僅延伸了高熵合金新材料在大型零部件表面的應(yīng)用，節(jié)約了貴金屬的使用成本，而且使材料具有更高的硬度。

本文采用激光熔覆法在Q235鋼表面制備Al2CoCrCuFeNiTi高熵合金涂層，研究激光加工參數(shù)對涂層質(zhì)量的影響，以期為獲得與基體結(jié)合良好的高熵合金熔覆層及其應(yīng)用提供參考。

1 正交試驗

影響激光熔覆層質(zhì)量的因素很多，如激光功率、掃描速度、光斑大小、熔覆粉末厚度、粉末供給方式等[13]。因此，確定合理的工藝參數(shù)對制備高質(zhì)量激光熔覆層意義重大。

稀釋率是重要的參數(shù)，稀釋率的大小將直接影響到涂層的界面結(jié)合狀況及使用性能，稀釋率過高或過低對涂層性能均不利。在激光熔覆過程中，為了獲得冶金結(jié)合的熔覆層，必須使基材表面熔化，因此，基材對熔覆粉末的稀釋是不可避免的。但為了保持熔覆合金的高性能，又必須盡量減少基材稀釋的有害影響，將稀釋率控制在適當(dāng)程度。

為了研究激光加工參數(shù)對熔覆層質(zhì)量的影響并確定最佳工藝條件，采用正交試驗法對主要影響參數(shù)進行研究：選擇4個因素，A：激光功率；B：掃描速度；C：熔覆粉末厚度；D：光斑直徑。通過查閱文獻及前期試驗結(jié)果，在每個因素的取值范圍內(nèi)取3個水平，不考慮因素之間的交互作用，利用L9(34)正交表，其因素和水平如表1所列。

表1 正交實驗因素和水平表

熔覆層與基體材料Q235鋼表面形成良好的結(jié)合是獲得優(yōu)異性能的前提，故將研究指標定為熔覆層與基體材料Q235鋼表面的結(jié)合狀況。結(jié)合狀況首先要通過GX71型奧林巴斯金相顯微鏡觀察，其放大倍數(shù)為500倍；在沒有明顯缺陷的基礎(chǔ)上利用掃描電鏡附帶的能譜功能進一步在結(jié)合部位附近做元素線掃描分析，根據(jù)元素擴散情況確定是否形成良好的結(jié)合。

正交試驗結(jié)果如表2所列。

表2 正交試驗結(jié)果

由表2可見，No.6樣品熔覆層與基體形成了良好的冶金結(jié)合。

據(jù)此得出激光熔覆法制備Al2CoCrCuFeNiTi高熵合金涂層的最佳工藝參數(shù)為：激光功率=2 500 W，掃描速度=3 mm/s，熔覆粉末厚度=1.0 mm，光斑直徑=4.0 mm?？紤]實驗過程中組織觀察及性能測試對樣品尺寸的要求，熔覆粉末厚度=1.0 mm，光斑直徑=4.0 mm合適。

為了進一步研究激光功率和掃描速度對涂層質(zhì)量的影響，在固定其它因素的情況下分別討論單個因素的影響，即根據(jù)No.6樣品加工參數(shù)，選取掃描速度=3 mm/s，熔覆粉末厚度=1.0 mm，光斑直徑= 4.0 mm，探討激光功率對涂層質(zhì)量的影響。選取功率=2500 W，熔覆粉末厚度=1.0 mm，光斑直徑= 4.0 mm，探討掃描速度對涂層質(zhì)量的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 激光功率對高熵合金熔覆層質(zhì)量的影響

當(dāng)掃描速度為定值時，激光功率的大小直接決定了熔覆粉末的熔化程度，激光功率越大，熔覆粉末的熔化程度越高。當(dāng)激光功率過大時，不但使得熔覆粉末充分熔化，還會使基體表面溫度迅速升高，熔化量增大，稀釋率過大，激光熔覆層將產(chǎn)生裂紋和變形等不良現(xiàn)象。反之，激光功率過小時，不足以使熔覆粉末充分熔化，熔覆層和基體結(jié)合不牢固，表面粗糙度變大，使得涂層耐磨性、耐蝕性變差。

熔覆層單位面積上吸收的能量稱為比能量，利用下式計算[14]。

=/(1)

式中：為激光功率；為掃描速度；為光斑直徑。激光比能量太小會造成稀釋率太低，激光熔覆層和基體不能形成冶金結(jié)合。激光比能量太大會導(dǎo)致稀釋率太高，熔覆粉末被基體沖淡，嚴重降低熔覆層的硬度、耐磨性及耐蝕性。適當(dāng)?shù)谋饶芰繛楂@得良好的涂層性能提供了保證。

圖1是Al2CoCrCuFeNiTi粉末在掃描速度= 3 mm/s，光斑直徑=4.0 mm，熔覆粉末預(yù)制厚度= 1.0 mm時不同激光功率條件下所得的激光熔覆層 形貌。

由圖1(a)可見，當(dāng)激光功率為2 000 W時，基體材料表面熔化很少，稀釋率太低，涂層和基體的結(jié)合不良；從圖1(b)可見，當(dāng)激光功率為2 500 W時，基體材料表面熔化適中，可獲得所需的稀釋率，涂層與基體結(jié)合良好，其結(jié)合部分的放大圖見圖1(d)，結(jié)合部位呈弧線形，說明涂層與基體形成良好的冶金結(jié)合；圖1(c)可見，當(dāng)激光功率為3 000 W時，基體材料表面熔化過多，稀釋率過大，熔覆層被基體材料過分沖淡，雖然涂層與基體結(jié)合良好，但基體材料的融入會造成涂層的性能下降。

圖2是Al2CoCrCuFeNiTi高熵合金涂層在掃描速度=3 mm/s、光斑直徑=4.0 mm、熔覆粉末預(yù)制厚度=1.0 mm時，不同激光功率條件下的動電位極化曲線，經(jīng)線性擬合得到的腐蝕動力學(xué)參數(shù)見表3，腐蝕介質(zhì)為1 mol/L NaCl溶液。

圖2 Al2CoCrCuFeNiTi高熵合金涂層在1 mol/L NaCl溶液中的動電位極化曲線

表3 Al2CoCrCuFeNiTi高熵合金涂層在1 mol/L NaOH溶液中的腐蝕動力學(xué)參數(shù)

根據(jù)電化學(xué)理論，自腐蝕電流密度(corr)越小、自腐蝕電位(corr)越高，說明材料的耐蝕性越好。反之，材料的耐蝕性越差。結(jié)合圖2和表3，當(dāng)功率為2 000 W和2 500 W時，自腐蝕電流密度與功率為3 000 W相比低一個數(shù)量級，自腐蝕電位相對較“正”，功率為2 500 W時的耐蝕性最好。原因在于，當(dāng)功率為2 000 W時，雖然稀釋率小使得涂層與基體結(jié)合不良，但與腐蝕介質(zhì)接觸的是涂層部分；當(dāng)功率為3 000 W時，基體的稀釋作用強烈，導(dǎo)致涂層中的Fe元素含量明顯增多。

2.2 掃描速度對高熵合金熔覆層質(zhì)量的影響

在其他參數(shù)一定的前提下，掃描速度過低，光束與熔覆粉末的交互作用時間增長，涂層吸收的能量增多，此時基體熔化較為嚴重，導(dǎo)致稀釋率急劇增大，熔覆后性能發(fā)生較大的改變，達不到所需要求。掃描速度增大，光束與熔覆粉末接觸的時間變短，使得熔化深度下降，當(dāng)熔化的深度低于涂層的厚度時涂層與基體之間不能實現(xiàn)冶金結(jié)合，結(jié)合強度很低，不能滿足實際的應(yīng)用要求。在激光注入能量可保證涂層熔化的前提下，掃描速度越大，覆層材料吸收的激光能量越少，在基體同樣的傳熱條件下，冷卻速度較快，熔池中大量的晶核來不及進一步長大就凝成固態(tài)，所以其顯微組織較細小，同時，析出相、有序疇等其它組成物和亞結(jié)構(gòu)尺寸也相應(yīng)減小[15]。由霍爾?佩奇關(guān)系：

式中：s為材料的強度；0為移動單個位錯時產(chǎn)生的晶格摩擦阻力；K為常數(shù)；為晶粒直徑。

可知細小的晶粒不但可提高材料的延性和韌性，而且可提高材料的強度。

圖3所示為Al2CoCrCuFeNiTi粉末在激光功率=2 500 W，光斑直徑=4.0 mm，熔覆粉末預(yù)制厚度=1.0 mm時不同光束掃描速度條件下所得的激光熔覆層熔覆區(qū)的顯微組織。

對比圖3(a)~(c)可見，在保證涂層與基體結(jié)合良好的前提下，隨掃描速度增大，顯微組織變得細小。

圖4所示為Al2CoCrCuFeNiTi高熵合金在激光功率=2 500 W、光斑直徑=4.0 mm、熔覆粉末預(yù)制厚度=1.0 mm時，不同光束掃描速度條件下的動電位極化曲線；經(jīng)線性擬合得到的腐蝕動力學(xué)參數(shù)如表4所列，腐蝕介質(zhì)為1 mol/L NaCl溶液。

結(jié)合圖4和表4，當(dāng)掃描速度為3 mm/s時，雖然自腐蝕電位相對較“負”，但自腐蝕電流密度與掃描速度為1 mm/s和2 mm/s時相比低一個數(shù)量級。綜合考慮，掃描速度為3 mm/s時的耐蝕性最好。原因在于，在保證粉末熔化的前提下，掃描速度越快，得到的顯微組織越細小均勻，缺陷越少，降低了因形成腐蝕原電池而加速腐蝕的影響。

圖3 熔覆區(qū)顯微組織

圖4 Al2CoCrCuFeNiTi高熵合金涂層在1 mol/L NaCl溶液中的動電位極化曲線

表4 Al2CoCrCuFeNiTi高熵合金涂層在1 mol/L NaOH溶液中的腐蝕動力學(xué)參數(shù)

3 結(jié)論

1) 當(dāng)激光功率為2 000 W時，激光注入能量較少，涂層和基體不能形成良好的結(jié)合；當(dāng)激光功率為2 500 W時，基體材料表面熔化適中，可獲得所需的稀釋率，涂層與基體結(jié)合良好，耐蝕性最佳；當(dāng)激光功率為3 000 W時，基體材料表面熔化過多，所得稀釋率過大，造成涂層的性能下降。

2) 在保證涂層與基體結(jié)合良好的前提下，隨掃描速度增大，顯微組織變得細小均勻，缺陷小，耐蝕性提高。

3) 激光熔覆法制備Al2CoCrCuFeNiTi高熵合金涂層的最佳工藝參數(shù)為：激光功率=2 500 W，掃描速度=3 mm/s，熔覆粉末厚度=1.0 mm，光斑直徑=4.0 mm。

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(編輯 高海燕)

Effect of laser processing parameters on quality of Al2CoCrCuFeNiTihigh-entropy alloys coating

QIU Xing-wu1, LIU Chun-ge2

(1. Department of Materials Engineering, Sichuan College of Architectural Technology, Deyang 618000, China; 2. Department of Surveying and Mapping Engineering, Sichuan College of Architectural Technology, Deyang 618000, China)

The Al2CoCrCuFeNiTi high-entropy alloy coating was prepared by laser cladding. The effects of laser processing parameters on the quality of high-entropy alloy coating were studied. The results show that: when the laser power is too low, less energy is injected into the coating, the coating and the substrate can not form a good bonding; when the laser power is too high, the substrate surface appears excessive melting and the dilution ratio is too high, resulting in the coating properties decline. Under the condition that the coating and the substrate with a good bonding, with the increase of scanning speed the microstructure becomes fine and uniform, the corrosion resistance becomes better. The optimal process parameters for preparing Al2CoCrCuFeNiTi high-entropy alloy coating by laser cladding are, laser power=2 500 W, scanning speed=3 mm / s, the thickness of the cladding powder=1.0 mm, spot diameter=4.0 mm.

Al2CoCrCuFeNiTi high-entropy alloy; laser cladding; interface bonding; power; scanning speed; corrosion resistance

TG135

A

1673-0224(2015)1-59-06

四川省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(13ZB0374)

2014-03-13；

2014-06-05

邱星武，講師。電話：0838-2604570；E-mail：fallenrain922@163.com