本发明涉及金属材料激光成型技术，尤其涉及一种alcocrfeni2.1共晶高熵合金及其激光选区增材制造制备方法。
背景技术：
高熵合金作为一种突破传统合金设计理念的、由多种主元组成的新型合金，近年来引起研究学者的广泛关注。高熵合金因为由多种元素以等原子比例或近等原子比例组成，使得高熵合金具有热力学上的高熵和晶格畸变效应、动力学上的迟滞扩散和“鸡尾酒”效应，这种特殊的效应使高熵合金具备一系列独特的性能。fcc结构的高熵合金表现出很好的塑性但是强度低，bcc结构的高熵合金强度高但是塑性差，这限制了合金在实际应用。alcocrfeni2.1共晶高熵合金由fcc和bcc双相组成，fcc和bcc相的结合使得alcocrfeni2.1共晶高熵合金具备良好的综合力学性能，并且共晶结构相对低的熔点和窄的共晶凝固间隔有利于合金缺陷的减少、容易成型，基于此，alcocrfeni2.1共晶高熵合金具有极佳的应用前景和商业价值。
目前制备高熵合金主要用熔铸法，因为高熵合金由多种主元组成，在制备过程中出现成分不均匀，元素偏析等现象，并且熔铸法制备的样品充型能力差，制备样式单一，损耗量大，后期加工步骤复杂等缺点，极大地限制了高熵合金的发展和应用。
激光选区增材制造技术是基于分层制造原理，以高能量的激光为热源，金属粉末为原料，在基体上逐层累加成型，可直接将数字化模型制造为实体零部件的一种高智能化的新型制造技术，这种方法制备金属零部件具有材料利用率高、加热和冷却速度都比较快、其可以形成均匀致密且显微组织细小、合金中元素分布均匀、微观缺陷显著减少、工艺流程短等优点。鉴于以上，激光选区增材制造技术为制备形状复杂、致密、微观组织均匀细小、性能优异的高熵合金构件提供了一种新的方法。
技术实现要素：
本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种alcocrfeni2.1共晶高熵合金的激光选区增材制造制备方法，该方法利用选区激增材制造的高的冷却速度实现了高致密、显微组织细小的共晶高熵合金的制备，本方法具有效率高、得到的合金质量好、自动化程度高的优点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种alcocrfeni2.1共晶高熵合金的激光选区增材制造制备方法，包括以下步骤：
s1、alcocrfeni2.1共晶高熵合金按照配比称取原料al、co、cr、fe和ni；各原料纯度≥99.9％；
s2、将步骤s1中的原料混合并合金化处理；
s3、将步骤s2中合金化处理的样品制备成alcocrfeni2.1预合金粉末；
s4、将步骤s3中的预合金粉末放入干燥箱中，在真空环境下加热至120-150℃进行干燥处理3-5小时，随箱冷却并将粉末加入至激光选区增材制造设备送粉缸内；
s5、将304不锈钢成型基板待沉积表面清理后安装在成型平台上并调平；
s6、启动激光选区增材制造设备并设置激光选区增材制造扫描路径和工艺参数；
s7、在惰性气体的保护下、根据设定的激光选区增材制造扫描路径和工艺参数将alcocrfeni2.1预合金粉末逐层熔化成型在304不锈钢成形基板上，制备出块体alcocrfeni2.1高熵合金。
进一步地，在步骤s2中合金化处理方法为铸造。
进一步地，在步骤s3中制备alcocrfeni2.1预合金粉末的方法为雾化制粉方法，制备得到的alcocrfeni2.1预合金粉末为球状结构。
进一步地，所述alcocrfeni2.1预合金粉末的粒径分布在10-45μm间，平均粒径为23.86μm。
进一步地，在步骤s5中成形基板待沉积表面的清理，包括如下步骤：基板预先用喷砂机在上表面进行喷砂处理，并用丙酮洗净，以除去表面杂物，然后用酒精清洗，吹干。
进一步地，步骤s6中设置激光选区增材制造工艺参数包括：激光功率130w-160w；扫描速度800-1000mm/s；单道间距0.1mm；铺粉层厚度0.2-0.4mm。
进一步地，步骤s7中所述的惰性气体为高纯度的氩气。
本发明的另一个目的还公开了一种alcocrfeni2.1共晶高熵合金，采用上述方法制备而成，该共晶高熵合金具有高强度、好塑性的优点。本发明alcicrfeni2.1共晶高熵合金与铸造制备的合金相比，致密度高、晶粒细小、具有更好的拉伸力学性能。
本发明alcocrfeni2.1共晶高熵合金的激光选区增材制造制备方法原理如下：
首先，将涉及到的合金原料按一定的比例合金化处理，并将合金化好的样品通过雾化制粉方法制备预合金粉末，然后对预合金粉末进行除水和氧处理；最后，用选区激光熔化沉积设备按照合理的规划路径和工艺参数在高纯度氩气的保护下，在清理好的待沉积304不锈钢基体表面堆积成型所需要的高熵合金样品，并且，根据对制备得到的高熵合金的微观组织结构和力学性能表征来反馈调控合激光工艺参数。
本发明alcocrfeni2.1共晶高熵合金及其激光选区增材制造制备方法，与现有技术相比较具有以下优点：
本发明根据激光选区熔化沉积方法的自动化程度高、可控性好、加热和冷却速度都比较快、材料利用率高、其可形成均匀、致密且细微的组织、微观缺陷显著减少、工艺流程短等优点制备出致密度高、性能比铸造更好的共晶高熵合金构件。激光选区熔化沉积方法根据不同的需求可以改变激光功率、扫描速度、扫描路径等参数，可以制备出形状复杂，高质量、性能优异的高熵合金材料。本发明的样品可定制化生产，有很高的商业价值。
综上，本发明提供一种激光选区增材制造的方法制备高致密、力学性能优异的共晶高熵合金的方法，该方法能够在短时间内制备出形状复杂，微观组织细小的共晶高熵合金构件，该方法成型速度快，原料利用率高，工作效率高、同时提高了合金质量。
附图说明
图1为激光选区增材制造设备结构示意图；
图2为激光选区增材制造扫描策略图，其中(a)相邻层扫描方向调整改变一定的角度、(b)同一层带状扫描策略；
图3为alcocrfeni2.1高熵合金金属粉末的sem扫描及粒径分布图，其中(a)为sem扫描图、(b)粒径分布图；
图4为alcocrfeni2.1高熵合金激光选区增材制造成型试样图；
图5为alcocrfeni2.1高熵合金的x射线衍射图谱；
图6为alcocrfeni2.1高熵合金微观组织二次电子扫描图，其中(a)为增材成型，(b)为铸态；
图7为alcocrfeni2.1高熵合金的slm试样的dsc曲线；
图8为alcocrfeni2.1高熵合金的拉伸应力—应变曲线。
具体实施方式
本发明的目的是为制备高致密，性能优异的alcocrfeni2.1共晶高熵合金提供一种激光选区增材制造制备方法。本发明公开了激光选区增材制造工艺参数范围，包括：激光功率、扫描速度、铺粉层厚度和单道间距，并总结了激光选区增材制造熔化沉积工艺参数对所制备得到的合金致密度、成型能力等性能的影响，然后根据总结的规律找出最合适的激光选区增材制造工艺参数，成功制备出微观组织细小、致密度高、力学性能优异的alcocrfeni2.1共晶高熵合金。
本发明采用的激光选区增材制造设备如图1所示，该设备主要由计算机控制系统1、激光器2和激光传输系统、样品成型台、送粉系统和净化系统组成。激光器和激光传输系统提供并传输能量，利用净化系调整腔室内的环境，保持水氧含量小于40ppm，通过送粉系统将粉末铺在成型台上，通过计算机控制系统控制扫描路径、激光功率等一系列参数，在成型台上逐层成型得到块体样品。所述激光选区增材制造设备还包括扫描镜3、f-θ镜4、保护气5、净化器6、成型腔7、送粉腔8、基板9和铺粉辊。
下面结合实施例和附图说明对本发明做进一步说明，此处所描述的具体实施例包括但不仅限于以下实施例。
实施例1
本实施例提供了一种alcocrfeni2.1共晶高熵合金的激光选区增材制造制备方法，具体如下：
(1)预合金粉末的制备及处理
将al、co、cr、fe、ni5种元素按照一定的配比进行混合并合金化处理，(其中al、co、cr、fe、ni的纯度≥99.9％)，然后将合金化的样品通过雾化制粉得到alcocrfeni2.1共晶高熵合金预合金粉末，制备得到的预合金粉末为典型的球状结构，粒径大小10-45μm之间，平均粒径为23.86μm，如图3所示。粉末放入干燥箱中，在真空环境下加热至120-150℃进行干燥处理3-5个小时随箱冷却并将粉末加入至激光选区熔化设备送粉缸内。
(2)成形基板材料的预处理
成形基板材料为304不锈钢，预先用喷砂机在成形基板上表面进行喷砂处理，并用丙酮洗净，以除去表面杂物，然后用酒精清洗，吹干，最后将基板安装在成型平台上并调平。
(3)激光选区增材制造制备alcocrfeni2.1共晶高熵合金
打开激光熔化沉积设备并设置扫描路径如图2所示，设置激光功率、扫描速度、铺粉层厚度、单道间距等工艺参数，工艺参数范围如表1.1所示。在高纯度氩气的保护下在封闭的腔室内进行alcocrfeni2.1高熵合金粉末的选区熔化沉积实验，通过正交实验确定了最佳工艺参数(功率为130w、扫描度为1000mm/s、单道间距为0.1mm、铺粉层厚度为0.04mm)。激光选区增材制造成型样品为如图4所示。
(4)激光选区增材制造成型样品性能测试
x射线衍射分析可知，激光选区增材制造方法和铸造所制备的alcocrfeni2.1共晶高熵合金都由fcc和b2相组成，如图5所示。从二次电子扫描图像可知，跟铸造的比激光选区熔化沉积所制备的alcocrfeni2.1共晶高熵合金微观组织更细小，如图6所示。从dsc热分析图(图7)中可以看出，在升温和降温的过程中，曲线上分别只有一个吸热峰和放热峰出现，这说明激光选区增材制造方法所制备的alcocrfeni2.1高熵合金为共晶组织。从图8中的拉伸应力应变曲线可知，激光选区增材制造方法所制备的alcocrfeni2.1共晶高熵合金无论拉伸塑性还是拉伸强度都高于铸造所制备的alcocrfeni2.1共晶高熵合金，这是因为激光选区增材制造冷却速度高，所制备的样品微观组织细小，所制备的样品致密度高，这提高了合金的综合拉伸力学性能。
表1.1试验工艺参数
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
技术特征：
1.一种alcocrfeni2.1共晶高熵合金的激光选区增材制造制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
s1、alcocrfeni2.1共晶高熵合金按照配比称取原料al、co、cr、fe和ni；各原料纯度≥99.9％；
s2、将步骤s1中的原料混合并合金化处理；
s3、将步骤s2中合金化处理的样品制备成alcocrfeni2.1预合金粉末；
s4、将步骤s3中的预合金粉末放入干燥箱中，在真空环境下加热至120-150℃进行干燥处理3-5小时，随箱冷却并将粉末加入至激光选区增材制造设备送粉缸内；
s5、将304不锈钢成型基板待沉积表面清理后安装在成型平台上并调平；
s6、启动激光选区增材制造设备，并设置激光选区增材制造扫描路径和工艺参数；
s7、在惰性气体的保护下、根据设定的激光选区增材制造扫描路径和工艺参数将alcocrfeni2.1预合金粉末逐层熔化成型在304不锈钢成形基板上，制备出块体alcocrfeni2.1高熵合金。
2.根据权利要求1所述alcocrfeni2.1共晶高熵合金的激光选区增材制造制备方法，其特征在于，在步骤s2中合金化处理方法为铸造。
3.根据权利要求1所述alcocrfeni2.1共晶高熵合金的激光选区增材制造制备方法，其特征在于，在步骤s3中制备alcocrfeni2.1预合金粉末的方法为雾化制粉方法，制备得到的alcocrfeni2.1预合金粉末为球状结构。
4.根据权利要求1所述alcocrfeni2.1共晶高熵合金的激光选区增材制造制备方法，其特征在于，所述alcocrfeni2.1预合金粉末的粒径分布在10-45μm间，平均粒径为23.86μm。
5.根据权利要求1所述alcocrfeni2.1共晶高熵合金的激光选区增材制造制备方法，其特征在于，在步骤s5中成形基板待沉积表面的清理，包括如下步骤：基板预先用喷砂机在上表面进行喷砂处理，并用丙酮洗净，以除去表面杂物，然后用酒精清洗，吹干。
6.根据权利要求1所述alcocrfeni2.1共晶高熵合金的激光选区增材制造制备方法，其特征在于，步骤s6中设置激光选区增材制造工艺参数包括：激光功率130w-160w；扫描速度800-1000mm/s；单道间距0.1mm；铺粉层厚度0.2-0.4mm。
7.根据权利要求1所述alcocrfeni2.1共晶高熵合金的激光选区增材制造制备方法，其特征在于，步骤s7中所述的惰性气体为高纯度的氩气。
8.一种alcocrfeni2.1共晶高熵合金，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述方法制备而成。
技术总结
本发明提供一种AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金及其激光选区增材制造制备方法，具体公开了激光选区增材制造AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金的最佳工艺参数，包括：激光功率、扫描速度、单道间距、铺粉层厚度，并制备得到了由FCC和BCC双相结构组成的AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金。本发明AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金跟铸造的比致密度高、晶粒细小、具有更好的拉伸力学性能。本制备方案利用选区激增材制造高的冷却速度实现了高致密、显微组织细小的共晶高熵合金的制备，本制备技术制备效率高、得到的合金质量好、自动化程度高等优点。
技术研发人员：卢一平;阿卜杜喀迪尔·艾麦尔;李廷举
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2021.05.21
技术公布日：2021.08.06
声明：
“AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金及其激光选区增材制造制备方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：大连理工大学
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2024年11月15日 ~ 17日 
