一种热生长α-Al2O3膜的难熔高熵合金制备方法

本发明涉及一种热生长α-al2o3膜的难熔高熵合金制备方法，具体属于金属材料增材制造。

背景技术：

1、航空发动机进一步大幅度提高推重比十分依赖高温结构材料的轻量化与承温能力，但是目前发动机服役温度已经超过高温合金的承温极限，镍基高温合金承温能力不超过1200℃。为了进一步提高航空发动机的服役温度，将c/c（碳/碳）复合材料用于发动机热端部件制造。c/c复合材料是目前极少数能在2000℃以上保持较高力学性能的材料之一，但c/c复合材料在超高温氧化气氛下极易氧化造成材料功能失效。目前c/c复合材料涂层体系主要以含有sic的多相或多层陶瓷复合体系为主，陶瓷涂层厚度大、脆性高、易开裂，涂层强韧性差。

2、难熔高熵合金涂层防护是一种新思路，高熵合金高温相结构稳定性好、强度硬度及热阻性高。基于wanger合金选择性氧化理论，通过调控成分使得难熔高熵合金在超高温下能热生长α-al2o3膜。α-al2o3膜熔点高（＞2000℃）、结构致密、生长速度缓慢、热稳定性好。激光熔化沉积技术使用高能激光作为热源，在加工过程中具有较快的加热和冷却速度，易通过对激光熔池的非平衡凝固过程的调控实现难熔高熵合金涂层致密化，通过双路送粉方式进行同步送粉，同时在左右路送粉的比例调控中按照设计的成分进行混粉，易于对难熔高熵合金涂层进行成分调控，易于界面强韧化设计和制备，同时可在复杂构件表面“近净尺寸”打印难熔高熵合金涂层。因此激光熔化沉积技术为制备抗超高温氧化的高熵合金提供了一种新的方法。

3、目前在国内外研究工作报道中，关于难熔高熵合金抗高温氧化性能的工作主要集中在1000℃~1300℃，已有的报道中alcrmotati难熔高熵合金在1300℃温度下生成了保护性的α-al2o3膜，其他难熔高熵合金体系比如alcrmotiw，alcrmotinb在1300℃均未生成保护性的α-al2o3膜。而且以上难熔高熵合金大多数采用电弧熔炼方法制备，不易于对难熔高熵合金组元成分进行调控。国内外研究工作中，首先，在1600℃及以上温度环境下难熔高熵合金的抗超高温氧化研究仍是一片空白，其次采用激光增材制造制备方法通过左右路混粉且左右路同步送粉方式对难熔高熵合金成分进行调控尚未报道，最后仍未见有在1600℃超高温环境下热生长单一α-al2o3膜的报道。因此本发明采用激光熔化沉积技术制备的难熔高熵合金，能在1600℃超高温环境下热生长单一α-al2o3膜，为c/c复合材料超高温金属防护涂层新体系开辟了新方向。

技术实现思路

1、针对上述现状，本发明提供一种热生长α-al2o3膜的难熔高熵合金制备方法。本发明一种热生长α-al2o3膜的难熔高熵合金制备方法是以alcrmotanb难熔高熵合金和cr的混合粉末、al和si粉的混合粉末为原材料，采用双路同步送粉方式，通过激光熔化沉积，制得能热生长α-al2o3膜的alcrmotanbsi难熔高熵合金，具体步骤如下：

2、步骤1：将alcrmotanb难熔高熵合金粉末与cr粉按20∶3.5的质量比例混合，得到alcrmotanb难熔高熵合金和cr的混合粉末；将al粉与si粉按9.8∶11.2的质量比混合得到al和si的混合粉末；上述混合粉末分别在120℃温度下，真空干燥处理16h后备用；

3、步骤2：alcrmotanb难熔高熵合金和cr的混合粉末加到右路送粉器中，al和si的混合粉末加到左路送粉器中；

4、步骤3：对304l钢基材预处理，其后放置在激光发射器下方，在氩气的保护下，预热至500℃；

5、步骤4：设置激光熔化沉积工艺参数，采用双路同步送粉方式，在304l钢基材上进行激光熔化沉积，制得能热生长α-al2o3膜的alcrmotanbsi难熔高熵合金，其中al为10at%~18 at%，cr为10at%~25 at%，si为10at%~28 at%，mo为10at%~25 at%，ta为10at%~25 at%，nb为10at%~20 at%。

6、所述的alcrmotanb难熔高熵合金粉末是由al、cr、mo、ta和nb经等离子球化配制而得。

7、所述的304l钢基材预处理的过程为：先用粗砂纸对l304钢基材打磨，除去表面的锈迹和污渍后，依次用水和无水乙醇清洗，再对304l钢基材表面风干。

8、所述的激光熔化沉积工艺参数为：激光功率1000～1200w，扫描速度1000～1200mm/min，扫描间距0.5mm，离焦量0，光斑直径2mm，沉积层数15层，每层厚度0.1mm；al和si粉的混合粉末送粉速率为0.18～0.2r/min，气流量为6~8l/min；alcrmotanb难熔高熵合金和cr的混合粉末送粉速率为0.1~0.13r/min，气流量为6~8l/min。

9、本发明的有益效果：

10、1、本发明通过对难熔高熵合金成分进行调控，借助al元素能形成致密的α-al2o3膜，提高了难熔高熵合金的抗超高温氧化性；cr元素在适当的al元素含量下能促进al2o3膜的形成；si元素可以提高难熔高熵合金的抗氧化性；nb、mo和ta元素作为难熔元素加入后可以显著提高难熔高熵合金的熔点。

11、2、本发明制备的alcrmotanbsi难熔高熵合金组织致密，无明显缺陷，能在1600℃超高温氧化环境下热生长致密连续的单一α-al2o3膜，具有优异的抗超高温氧化性能。

技术特征：

1.一种热生长α-al2o3膜的难熔高熵合金制备方法，其特征在于：所述的难熔高熵合金制备方法是以alcrmotanb难熔高熵合金和cr的混合粉末、al和si粉的混合粉末为原材料，采用双路同步送粉方式，通过激光熔化沉积，制得能热生长α-al2o3膜的alcrmotanbsi难熔高熵合金，具体步骤如下：

2.根据权利要求1所述的一种热生长α-al2o3膜的难熔高熵合金制备方法，其特征在于：所述的alcrmotanb难熔高熵合金粉末是由al、cr、mo、ta和nb经等离子球化配制而得。

3.根据权利要求1所述的一种热生长α-al2o3膜的难熔高熵合金制备方法，其特征在于：所述的304l钢基材预处理的过程为：先用粗砂纸对l304钢基材打磨，除去表面的锈迹和污渍后，依次用水和无水乙醇清洗，再对304l钢基材表面风干。

4.根据权利要求1所述的一种热生长α-al2o3膜的难熔高熵合金制备方法，其特征在于：所述的激光熔化沉积工艺参数为：激光功率1000～1200w，扫描速度1000～1200mm/min，扫描间距0.5mm，离焦量0，光斑直径2mm，沉积层数15层，每层厚度0.1mm；al和si粉的混合粉末送粉速率为0.18～0.2r/min，气流量为6~8l/min；alcrmotanb难熔高熵合金和cr的混合粉末送粉速率为0.1~0.13r/min，气流量为6~8l/min。

技术总结
本发明一种热生长α‑Al<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;膜的难熔高熵合金制备方法是以AlCrMoTaNb难熔高熵合金和Cr的混合粉末、Al和Si粉混合粉末为原材料，采用激光熔化沉积技术，通过双路同步送粉，在304L钢基材表面上制备出AlCrMoTaNbSi难熔高熵合金。本发明利用激光熔化沉积技术制备出的难熔高熵合金组织致密细小，无明显缺陷，能在1600℃超高温氧化环境下热生长致密连续的单一α‑Al<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;膜，具有优异的抗超高温氧化性能。

技术研发人员：杨守华,卢翔,周子翼,舒小勇,谢云,彭晓
受保护的技术使用者：南昌航空大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/17