超声滚压表面强化激光增材制造共晶高熵合金板材的方法与流程

1.本发明涉及增材制造技术领域，更具体涉及一种超声滚压表面强化激光增材制造共晶高熵合金板材的方法。

背景技术：

2.高熵合金在被提出之初的定义为：多主元合金以等原子比或近等原子比混合五种及以上的元素，且每个元素的原子百分比在5%至35%之间；高熵合金所形成的结构为简单的固溶体结构；高熵合金的性能是由所有主要元素决定的，可以实现很多高的性能，如：高硬度、高耐磨性、高抗疲劳性能、耐高温软化、出色的低温性能等。高熵合金的出现，为材料的应用和发展提供了更多的可能性，对其进行研究有着积极的意义。

3.共晶高熵合金是高熵合金的一大分支，定义为具有共晶组织的多组元合金。共晶高熵合金的设计初衷旨在解决大尺寸高熵合金铸造性能差的缺点。共晶高熵合金兼具共晶合金与高熵合金的成分特点fcc相具有高塑性和低强度，通过选取强度较高的m相，设计出fcc+m相的双相共晶高熵合金，即可兼具高强度和高塑性。

4.迄今为止，共晶高熵合金的主要制备手段仍为传统熔炼法，这不可避免的造成成分不均匀、元素偏析、晶粒粗大等问题，极大限制了高熵合金的应用潜力。近二十年来，增材制造am技术取得了快速的发展，其快速原型、快速制造、3d打印等多种称谓无不体现出增材制造的优势。其中选区激光熔化slm技术以微米级激光束为热源，较高的加热和冷却速率(103-108 k/s)，有利于抑制晶粒长大和提高形核速率，因此与传统熔炼方法相比，slm制备的材料性能有明显提高。然而由于slm技术的高能激光束与粉末的相互作用，以及搭接率、熔道宽度和不可避免的飞溅等缺陷造成成型试样表面粗糙度比较大，严重影响表面平整度，且影响表面性能，例如缺陷的存在会加速表面在受到局部载荷时的坍塌，粗糙的表面会加速材料在受到摩擦作用下的去除，从而影响其耐磨性。

5.超声滚压表面强化技术是利用金属在常温下冷塑性的特点，运用超声波特点高频率冲击研磨金属表面，高频冲击对金属表面微观构造进行“削峰填谷”，加工后金属表面可以达到ra0.2，甚至更低的镜面效果，降低表面粗糙度。此外，高频表面冲击对工件产生一定的压应力，同时消除部分有害的拉应力，让工件硬度显著提高，疲劳强度增加，大大延长工件的使用寿命。从而获得有表面纳米梯度结构的高性能金属材料。然而传统超声滚压技术在工件表面产生硬化层，此层与内部材料有明显的分层现象，容易造成表层脱落。且表面强化层到基体材料的硬度变化梯度有骤降过程，从而影响其表面性能。

6.alcocrfeni

2.1

共晶高熵合金作为一种有希望的新型材料，其激光增材制造板材的超声滚压表面强化方法迄今未见报道。因此，获得强度高、耐磨性好的选区激光熔化 alcocrfeni

2.1 共晶高熵合金板材仍然是目前面临的技术难题。

技术实现要素：

7.针对现有选区激光熔化技术以及传统超声滚压技术存在的缺陷等问题以及目前

对alcocrfeni

2.1

共晶高熵合金板材制备及表面强化的方法不足，本发明提供了一种超声滚压表面强化激光增材制造共晶高熵合金板材的方法，具体为利用超声滚压对激光增材制造alcocrfeni

2.1

共晶高熵合金板材表面性能的强化方式，特指超声滚压对选区激光熔化alcocrfeni

2.1

共晶高熵合金板材表面性能的强化方式。从而获得强度高、耐磨性好的选区激光熔化alcocrfeni

2.1 共晶高熵合金板材，为alcocrfeni

2.1

共晶高熵合金作为新型材料的应用和发展提供更多的可能性。

8.为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：本发明提供一种超声滚压表面强化激光增材制造共晶高熵合金板材的方法，包括以下步骤：步骤1，制备alcocrfeni

2.1

共晶高熵合金的原始粉末；步骤2，制备激光增材制造alcocrfeni

2.1

共晶高熵合金板材；步骤3，对步骤2的激光增材制造alcocrfeni

2.1

共晶高熵合金板材进行超声滚压表面强化处理。

9.进一步，所述步骤1中制备alcocrfeni

2.1

共晶高熵合金原始粉末的具体过程为：步骤1.1，选用纯度≥99.9%的各元素al、co、cr、fe、ni原料，按照al：8.51wt.%；co：18.59wt.%；cr：16.40wt.%；fe：17.62wt.%；ni：38.88wt.% 的比例进行混合并熔炼，生产用于制备粉末的预合金料块体；步骤1.2，将步骤1.1制备的预合金料块体用气雾化法制备alcocrfeni

2.1

共晶高熵合金的原始粉末，然后进行烘干处理，去除残余水分。

10.进一步，所述步骤2中制备激光增材制造alcocrfeni

2.1

共晶高熵合金块体的具体过程为：步骤2.1，将步骤1最终得到的原始粉末进行粒径筛分，得到15-53μm粉末，加入选区激光熔化设备送粉缸内；步骤2.2，设置激光扫描路径和扫描工艺参数；启动选区激光熔化设备；步骤2.3，选区激光熔化设备在惰性气体保护下运行，使alcocrfeni

2.1

共晶高熵合金原始粉末成型在304不锈钢基板上，得到激光增材制造alcocrfeni

2.1

共晶高熵合金板材。

11.进一步，所述步骤3中超声滚压表面强化处理的具体过程为：步骤3.1，将步骤2成型得到的激光增材制造alcocrfeni

2.1

共晶高熵合金板材从304不锈钢基板上切下，表面进行非精细打磨抛光，使表面粗糙度达到ra1.5μm以下；步骤3.2，将步骤3.1的共晶高熵合金板材置于工装夹具处夹紧，调整滚压头控制按钮，对板材的平面进行滚压处理，滚压头置于板材试样一端起点，沿长边方向进行循环进给运动，循环过程中垂直长边方向的偏移步距为0.1mm，整个平面滚压一次需循环往复50次，平面共滚压5次；步骤3.3，滚压结束后，首先关闭滚压头控制开关，停止滚压，取下板材试样，将反面进行夹持，重复步骤3.2，进行双面滚压。

12.更进一步，所述步骤1.2中烘干处理的温度为80℃；烘干处理的时间为5h。

13.所述步骤2.2中激光扫描路径设置具体为：用内含多条激光束的激光条带，同层同向，异层旋转67

°

逐层逐道扫描，激光条带宽度为10mm，激光束斑点直径为50μm，激光条带之间搭接区宽度为70μm。与单束激光束循环扫描方式相比，使用内含多条激光束的激光条带

熔化金属粉末时可减少因重熔造成的应力集中，避免翘楚、裂纹等的缺陷的产生，同时可减少因未熔或半熔粉末的飞溅造成的缺陷，另外此扫描方式，大幅度提高制备生产效率。

14.所述步骤2.2中激光扫描工艺参数为激光功率p=100 ~150w，扫描速度v=500 ~1500mm/s，扫描间距70μm，铺粉厚度30μm。

15.所述步骤2.3中保护的惰性气体为ar气；金属粉末表面积大，在保护气中可防止高熵合金原始粉末被氧化。所述304不锈钢基板在铺粉前需进行预热处理，预热温度为80℃，预热时间为1小时；样品成型尺寸为32*10*4mm。

16.所述步骤3.2中滚压处理的超声振动频率为30khz，进给速度为f 5000，施加载荷1500n，滚压道次为5道次，在滚压过程中润滑液由上而下流经表面进行润滑。

17.优选地，所述步骤2.2中激光扫描工艺参数激光功率为p=150w，扫描速度v = 650mm/s。

18.与现有技术相比本发明具有以下优点：本发明结合激光增材制造技术与超声滚压的优势于一体，首先利用气雾化法制备出粉末粒度细小，球形度高、氧含量低的高熵合金粉末；然后选择选区激光熔化技术，制备出组织均匀，力学性能优异，硬度显著高于传统电弧熔炼方式制备所得的alcocrfeni2.1共晶高熵合金（传统电弧熔炼制备的合金硬度约为320hv，而本发明由选区激光熔化方式制备得到的合金硬度为526hv）；最后结合超声滚压表面强化技术，使激光增材制造得到的细小晶粒进一步细化，同时可在滚压过程中加工硬化试样表面，使表面得到纳米细晶层。经过超声滚压处理，表面粗糙度由之前的ra1.3μm变为ra0.2μm，表面硬度提升50 hv左右，摩擦磨损性能显著提升，磨损率由滚压前的2.0×10-5 mm3/nm降低至滚压后的1.3×10-5 mm3/nm。

19.本发明采取图案填充法设置宽度为10mm的激光束条带，不同于传统的单束激光循环扫描法，可以避免因零件尺寸大而单填充扫描造成整体应力集中，变形大，翘曲等问题；另外，本发明中激光条带覆盖面积大，可熔化前程扫描引起的落入即将熔化粉层的大部分飞溅，而单束激光束引起的飞溅落入已凝固区无法再次熔化，造成的粗糙度提高；同时宽度为10mm的激光束条带大大提升成形效率，既保证成型速度，又可保证成形质量。

20.传统超声滚压技术在工件表面产生硬化层，此层与内部材料有明显的分层现象，容易造成表层脱落。且表面强化层到基体材料的硬度变化梯度有骤降过程，从而影响其表面性能。本发明所使用超声滚压技术为复合能量加工，附加每秒3万次高频冲击，使金属流变，产生表面强化层，强化层和材料内部是连续过渡，结合性能好，无剥离裂纹现象，对零件表面性能有较大提升。

21.slm技术制备成形高熵合金的表面粗糙度为微米级别，需要进行复杂的机加工进行表面平整处理，本发明只需进行简单打磨，去除表面球化缺陷造成的凸起即可，再结合超声滚压技术，即可有效降低表面粗糙度，且提升表明硬度，从而提升耐磨性。

附图说明

22.图1为选区激光熔化制备alcocrfeni

2.1

共晶高熵合金激光扫描路径规划图；图2为超声滚压表面强化工作原理图；图3为摩擦磨损实验原理模型图；其中，（a）图为摩擦磨损实验原理模型全局图；（b）图为摩擦磨损实验原理模型局部放大图；

图4为超声滚压强化前后表面微观组织变化图；其中，（a）图为超声滚压强化前表面微观组织变化图；（b）图为超声滚压强化后表面微观组织变化图；图5为超声滚压强化后截面微观组织图；图6为声发射检测表面强化层与基体结合能力性能图；图7为超声滚压前后试样的高温硬度变化曲线图；图8为超声滚压前后试样摩擦磨损实验磨痕轮廓图；其中，（a）图为超声滚压前试样摩擦磨损实验磨痕轮廓图；（b）图为超声滚压后试样摩擦磨损实验磨痕轮廓图。

具体实施方式

23.下面结合本发明实施例和附图，对本发明的技术方案进行具体、详细的说明。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

24.实施例1一种超声滚压表面强化激光增材制造共晶高熵合金板材的方法，包括以下步骤：（1）精选材料，alcocrfeni

2.1

高熵合金的原始粉末的制备

①?

选用纯度≥99.9%的各元素al、co、cr、fe、ni原料，按照质量分数为al：8.51wt.%；co：18.59wt.%； cr：16.40wt.%； fe：17.62wt.% ni：38.88wt.% 的比例进行混合并熔炼，熔炼过程中进行翻转使得混合均匀，从而使成分分布均匀，生产用于制备粉末的预合金料块体；

②?

将步骤

①

的合金块体以气雾化法制备alcocrfeni

2.1

高熵合金的原始粉末，具体操作步骤为：通过雾化喷嘴产生高压高速的氩气，快速冲击熔融金属液流，将熔体液流粉碎成很细的液滴并迅速冷凝得到微细金属粉末，之后将制得粉末置于干燥箱中80℃烘干处理5h；去除残余水分；在本实施例中，所述用于干燥原始粉末的干燥箱的具体型号没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。

25.（2）激光增材制造alcocrfeni

2.1

共晶高熵合金块体(slm eheas)

③?

将步骤

②

中原始粉末使用标准筛分器进行粒径筛分，得到粒径范围为15-53μm粉末，加入选区激光熔化设备送粉缸内；

④?

选区激光熔化设备成型腔内在惰性气体保护下运行，设置激光扫描路径和扫描工艺参数；启动选区激光熔化设备，使alcocrfeni

2.1

共晶高熵合金原始粉末成型在304不锈钢基板上；样品成型尺寸为32*10*4 mm。

26.在本实施例中，所述选区激光熔化设备没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。

27.在本实施例中，步骤

④

中激光扫描路径为：内含多条激光束的激光条带，宽度为10mm，其中激光束斑点直径为50μm，扫描策略为同层同向，异层逐层旋转67

°

逐层逐道扫描，激光条带之间搭接区宽度为70μm，扫描示意图如图1所示。

28.在本实施例中，步骤

④

中激光扫描参数为激光功率为p =150w，速度v = 650mm/s，扫描间距70μm，铺粉厚度30μm。

29.（3）超声滚压表面强化处理 (ursp)

⑤?

将步骤

④

的打印件（即扫描成型样品）从304不锈钢基板上切下，表面进行非精细打磨抛光，将表面粗糙度达到ra1.5μm以下；

⑥?

将步骤

⑤

的选区激光熔化共晶高熵合金板材置于工装夹具处夹紧，调整滚压头控制按钮，将整个平面（32*10mm）进行滚压处理，滚压头置于试样一端起点，沿样品长边方向进行循环往复进给运动，循环过程中垂直长边方向的偏移步距为0.1mm，整个平面滚压一次需循环往复50次，平面共滚压5次；

⑦?

滚压结束后，首先关闭滚压头控制开关，停止滚压，取下板材试样，将反面进行夹持，重复步骤

⑥

，进行双面滚压。

30.在本实施例中，步骤

⑥

中滚压处理选择最优参数超声振动频率30khz，进给速度f 5000，优选施加载荷1500n，重复滚压道次为5道次，在滚压过程中润滑液由上而下流经表面进行润滑，原理示意图如图2所示；实施例2对实施例1制得的alcocrfeni

2.1

共晶高熵合金板材在超声表面强化处理前后采用以下性能方法进行表征、分析：（1）使用电子显微镜对样品表面和截面微观组织进行检测，结果如图4和5所示；（2）利用声发射检测表面强化层与基体结合能力性能；结果如图6所示；（3）用维氏硬度计检测超声表面强化处理前后高熵合金表面在不同温度下的硬度检测，如图7所示；（4）使用摩擦磨损仪对试样表面超声滚压处理前后表面性能磨损性分析，图3为摩擦磨损实验原理模型图，具体分析结构如图8所示。具体实验方案为施加载荷10n，测试时间30min，球盘转速200r/min。测试温度为800℃。

31.检测结论：（1）选区激光熔化制备的alcocrfeni

2.1

共晶高熵合金板材的成形密度为7.3707g/cm3，相比于理论密度，选区激光熔化制备试样的致密度为99.6%，接近完全致密程度，无明显缺陷，为合金优异性能提供首要保障。选区激光熔化制备heas为典型的树枝晶结构，如图4（a）所示，且组织形状排列均匀。超声滚压处理之后，整齐程度在一定程度上被打乱，整体组织有被拉长的趋势，且在一定程度上达到晶粒细化效果，如图4（b）所示。细晶强化是金属材料强化的一种方式，可提高材料的硬度，从而提高其耐磨性。截面组织显示，靠近表面区域有明显的沿滚压运行方向的塑性变形，如图5所示，深度约2μm，表明滚压超声处理作用在合金板材表面效果可达2μm以上。

32.超声滚压处理后，选区激光熔化制备试样的表面粗糙度由之前的ra1.3μm变为ra0.2μm，表面粗糙度的降低为后续的耐磨性的提高具有显著作用；（2）滚压强化层与基体的结合性能由划痕试验检测，如图6所示。划痕测试用于评估强化层与基材之间的粘合强度，如图6所示。随着载荷从0增加到160n，划痕逐渐变深。在加载和滑动过程中，声发射信号在很小的范围内总是不规则地波动而没有突变，这意味着强化在破坏过程中非常稳定，没有大的裂纹或脆性断裂，表明强化层与基材具有良好的粘合性能。扫描形态学表明，划痕的两侧是平坦的，没有脆性剥落的痕迹，并且在最大变形处的划痕表面的形态清晰，光滑且没有深裂纹，表明强化层没有撕裂，这也证明了强化层与基板之间的良好粘合。

33.（3）本实施例中由选区激光熔化方式制备的alcocrfeni

2.1

共晶高熵合金维氏硬度结果显著高于其他传统方式制备所得，例如由传统电弧熔炼制备的此合金硬度约为320hv，放电等离子烧结粉末冶金法制备的此合金硬度约为350hv，而由选区激光熔化方式制备所得的维氏硬度为526hv，高硬度为此合金具有更好的耐磨性提供支持。另外，超声滚压前后的试样硬度随温度的升高有相同的变化趋势，在600℃之前，显微硬度只有轻微的下降，数据显示，slm高熵合金（slm heas）的显微组织从20℃的526hv下降至600℃的448.5hv，而超声滚压之后，ursp heas硬度由20℃的568.8hv下降至600℃的468.3 hv；600℃之后，两类试样的硬度有明显的下降趋势。然后，与传统硬质合金（gcr15）相比，高熵合金具有良好的抗高温软化效果，如图7所示。

34.（4）摩擦磨损实验结果（图8）表明，超声滚压处理有显著的抗磨损作用，磨痕的宽度和深度均显著减小，在上述磨损工艺参数下，超声滚压处理可以将磨痕宽度由0.43mm降到0.3mm，磨痕深度由4.2μm降到3.9μm。

35.根据公式磨损率wr =

?△

v/ sp（式中s为滑动距离，p为载荷，

△

v为试件滑动后的体积损失：

△

v = lh(3 h2+4b2) / ( 6b) ，l是磨损环的周长，h和b分别是磨痕的深度和宽度）计算得到磨损率由滚压前的2.0

×

10-5 mm3/nm降低至滚压后的1.3

×

10-5 mm3/nm，磨损率下降，表示耐磨性得以提升，这可归因于超声滚压使表面晶粒细化的细晶强化，以及滚压过程机械运动的加工强化。而同样的测试条件应用于传统电弧熔炼制备此共晶高熵合金时，其磨损率为1.2

×

10-4 mm3/nm，磨损率接近超声滚压后的激光增材制造共晶高熵合金的10倍，此结果更加表明超声滚压后的激光增材制造alcocrfeni

2.1

共晶高熵合金具有更佳的耐磨性。技术特征：

1.一种超声滚压表面强化激光增材制造共晶高熵合金板材的方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1，制备alcocrfeni

2.1

共晶高熵合金的原始粉末；步骤2，制备激光增材制造alcocrfeni

2.1

共晶高熵合金板材；步骤3，对步骤2的激光增材制造alcocrfeni

2.1

共晶高熵合金板材进行超声滚压表面强化处理。2.根据权利要求1所述的超声滚压表面强化激光增材制造共晶高熵合金板材的方法，其特征在于，所述步骤1中制备alcocrfeni

2.1

共晶高熵合金的原始粉末的具体过程为：步骤1.1，选用纯度≥99.9%的各元素al、co、cr、fe、ni原料，按照al：8.51wt.%；co：18.59wt.%；cr：16.40wt.%；fe：17.62wt.%；ni：38.88wt.% 的比例进行混合并熔炼，生产用于制备粉末的预合金料块体；步骤1.2，将步骤1.1制备的预合金料块体用气雾化法制备alcocrfeni

2.1

共晶高熵合金原始粉末，然后进行烘干处理。3.根据权利要求1所述的超声滚压表面强化激光增材制造共晶高熵合金板材的方法，其特征在于，所述步骤2中制备激光增材制造alcocrfeni

2.1

共晶高熵合金板材的具体过程为：步骤2.1，将步骤1最终得到的原始粉末进行粒径筛分，得到15-53μm粉末，加入选区激光熔化设备送粉缸内；步骤2.2，设置激光扫描路径和扫描工艺参数；启动选区激光熔化设备；步骤2.3，选区激光熔化设备在惰性气体保护下运行，使alcocrfeni

2.1

共晶高熵合金原始粉末成型在304不锈钢基板上，得到激光增材制造alcocrfeni

2.1

共晶高熵合金板材。4.根据权利要求1所述的超声滚压表面强化激光增材制造共晶高熵合金板材的方法，其特征在于，所述步骤3中超声滚压表面强化处理的具体过程为：步骤3.1，将步骤2成型的激光增材制造alcocrfeni

2.1

共晶高熵合金板材从304不锈钢基板上切下，表面进行非精细打磨抛光，使表面粗糙度达到ra1.5μm以下；步骤3.2，将步骤3.1的共晶高熵合金板材置于工装夹具处夹紧，调整滚压头控制按钮，对板材的平面进行滚压处理，滚压头置于板材试样一端起点，沿长边方向进行循环进给运动，循环过程中垂直长边方向的偏移步距为0.1mm，整个平面滚压一次需循环往复50次，平面共滚压5次；步骤3.3，滚压结束后，首先关闭滚压头控制开关，停止滚压，取下板材试样，将反面进行夹持，重复步骤3.2，进行双面滚压。5.根据权利要求2所述的超声滚压表面强化激光增材制造共晶高熵合金板材的方法，其特征在于，所述步骤1.2中烘干处理的温度为80℃；烘干处理的时间为5h。6.根据权利要求3所述的超声滚压表面强化激光增材制造共晶高熵合金板材的方法，其特征在于，所述步骤2.2中激光扫描路径设置具体为：用内含多条激光束的激光条带，同层同向，异层旋转67

°

逐层逐道扫描，激光条带宽度为10mm，激光束斑点直径为50μm，激光条带之间搭接区宽度为70μm；所述步骤2.2中激光扫描工艺参数为激光功率p=100 ~150w，扫描速度v=500 ~1500mm/s，扫描间距70μm，铺粉厚度30μm。7.根据权利要求3所述的超声滚压表面强化激光增材制造共晶高熵合金板材的方法，

其特征在于：所述步骤2.3中保护的惰性气体为ar气；所述304不锈钢基板在铺粉前需进行预热处理，预热温度为80℃，预热时间为1小时；样品成型尺寸为32*10*4mm。8.根据权利要求4所述的超声滚压表面强化激光增材制造共晶高熵合金板材的方法，其特征在于：所述步骤3.2中滚压处理的超声振动频率为30khz，进给速度为f 5000，施加载荷1500n，滚压道次为5道次，在滚压过程中润滑液由上而下流经表面进行润滑。9.根据权利要求6所述的超声滚压表面强化激光增材制造共晶高熵合金板材的方法，其特征在于：所述激光功率为p=150w，扫描速度v = 650mm/s。

技术总结

本发明涉及增材制造技术领域，针对现有选区激光熔化技术以及传统超声滚压技术存在的缺陷等问题以及目前对AlCoCrFeNi

技术研发人员：兰利伟 王文先 刘瑞峰 崔泽琴

受保护的技术使用者：山西浙大新材料与化工研究院

技术研发日：2022.05.31

技术公布日：2022/6/30