一种颗粒增强高熵梯度材料的制备方法及装置与流程

1.本发明涉及一种颗粒增强高熵梯度材料的制备方法及装置，属于高熵合金技术领域。


背景技术：

2.高熵合金作为一种新型合金体系材料，具有优良独特的性能，受到国内外研究人员的青睐。高熵合金多组元组成因其高熵效应、严重的晶格畸变效应、动力学上的迟滞扩散效应和“鸡尾酒”效应，使得高熵合金具有优异的力学、耐磨耐腐蚀、耐高温等性能。制备高熵合金传统上往往采用真空熔炼、机械合金化、激光熔覆、热喷涂等技术，但对于制备的高熵合金形状以及尺寸受限较大，样品中存在孔隙、杂质等缺陷，增加实际生产成本。增材制造技术是一种先进的制造技术，以金属粉末为原料，采用激光、电子束或等离子弧作为热源，以3d模型数据为基础，将材料采用逐层堆积方法直接成形三维实体零件。研究增材制造高熵合金的成形、性能，对高熵合金的制备和工业应用具有潜在的价值。等离子增材是一种有较大优势的高熵合金制造方法，等离子弧具有高能量、高热输入和脉冲搅拌熔池的特点，特别是对于高熔点合金，等离子弧的温度更高，可以使混合粉末熔化更充分。
3.目前，高熵合金的设计思路集中在对元素进行调控，增加或者替换某一种元素来实现高熵合金的性能需求，调控高熵合金的元素成分容易导致强度和韧性的失衡，高熵梯度材料的出现可以有效地解决这一问题。高熵合金梯度复合材料以高熵合金为基体，每层之间按照不同比例添加一种或两种颗粒增强相的新型复合材料。高熵合金梯度复合材料不仅能够同时具备高熵合金的高强度高硬度、耐腐蚀等性能，而且在颗粒增强相的作用下综合了两种材料的优异性能，弥补高熵合金原有存在的较弱性能。crmnfeconi高熵合金在室温和低温条件下具有良好的断裂韧性受到了广泛的研究，然而其屈服强度和表面硬度限制了其工程应用。通过添加颗粒增强相制备梯度结构复合材料可以有效提高heas的强度-韧性的平衡，其中常见的增强相包括wc、b4c、sic等。由于wc颗粒具有高熔点、高硬度以及高断裂韧性，且有一定的塑性，所以本发明将以wc为例作为颗粒增强相。
4.等离子增材制备高熵合金梯度材料相比于其他工艺具有操作简单、组织晶粒细小、设备占用空间小等特点。等离子增材设备能够保证高熵合金粉末和增强相颗粒以不同的比例到达熔池进行均匀混合。
5.传统的合金多以1-2种元素作为主元素，再添加微量元素来优化材料的性能。高熵合金（heas）的出现打破了传统合金设计理念的限制，拓展了合金元素组分的设计空间。高熵合金的性能强化策略可通过元素调控进行，选择恰当的元素和比例进行调控，使得高熵合金能够具备多种强化机制。调整高熵合金成分有时会造成高熵合金性能出现“此消彼长”的局限，即在强度和韧性之间难以保证同时存在。近年来，梯度结构设计被认为是一种能够同时提高金属材料强度和韧性的有效方法，能够保证材料具有优异的综合力学性能。单相fcc结构的crmnfeconi高熵合金具有优异的低温力学性能与断裂韧性，但在常温下仍然存在硬度低、抗拉强度低、耐磨性差的问题。因此在高熵合金中引入颗粒增强相制备高熵梯度
材料设计对提升高熵合金性能具有重要的工程应用价值。目前，在高熵合金增材内引入梯度结构设计策略的研究鲜有报道，同时制备高熵合金主要有磁控溅射、电弧熔炼等，这些方法都存在一些如工艺复杂、设备要求高、难以制备高熵梯度材料等局限，因此本发明涉及等离子高熵合金增材领域，提供一种颗粒增强高熵梯度材料的制备方法及装置。


技术实现要素：

6.针对上述问题，本发明要解决的技术问题是提供一种颗粒增强高熵梯度材料的制备方法及装置。
7.本发明的一种颗粒增强高熵梯度材料的制备方法及装置，它包含粉筒一、粉筒二、气管一、等离子控制系统、气管二、离子气气瓶、保护气气瓶、送粉气气瓶、送粉管、等离子弧焊枪、增材工作台夹具、加热台、增材基板、温度控制仪、六轴机器人，粉筒一和粉筒二的一端通过气管一与等离子控制系统连接，等离子控制系统通过气管二分别与离子气气瓶、保护气气瓶和送粉气气瓶连接，粉筒一和粉筒二的另一端通过两条送粉管与等离子弧焊枪上的送粉口连接；等离子弧焊枪的下方设置有增材工作台夹具，增材工作台夹具上设置有加热台，增材基板放置在加热台上，加热台通过电线与温度控制仪连接，等离子弧焊枪的上端与六轴机器人连接。
8.作为优选，所述的等离子弧焊枪的中部设置有钨针，钨针外设置有等离子气通道，钨针与等离子气通道之间留有2-3mm间隙，等离子气通道外设置有粉末和送粉气通道，粉末和送粉气通道外设置有保护气通道。
9.作为优选，所述的工艺参数具体为130a，焊枪移动范围0.003m/s，总送粉量12g/min，各个气体的流量为离子气2.0 l/min，保护气20l/min，送粉气3.0l/min。
10.作为优选，所述的每一层总送粉量为12g/min，crmnfeconi高熵合金粉末以及wc粉末每一层沉积的比例按照质量比进行配比。
11.作为优选，所述的每层成形增材层厚度在0.5-1.0mm之间，wc含量的质量分数范围为0-30%，相邻层之间wc质量分数无极调整，从最顶层到最底层，wc质量分数依次连续递减。
12.作为优选，所述的高熵合金牌号为crmnfeconi高熵粉末，粉末粒径为50-150μm，其中cr、mn、fe、co、ni五种元素均按照原子比1：1：1：1：1混合，合金粉末纯度大于99.9%。
13.作为优选，所述的颗粒增强高熵梯度材料是以面心立方（fcc）结构的crmnfeconi粉末为基体材料，以wc粉末但不限定于wc作为强化相的梯度复合材料，高熵梯度复合材料的成形质量良好，致密度不低于99%。
14.作为优选，所述的温控装置包括加热台与红外测温仪，加热台对基体进行持续加热，保持温度在150℃，增加加热台不仅能够对基体进行预热，减少增材层与基体的热应力，同时保证在增材过程中增材层缓慢冷却，减少裂纹、孔隙等缺陷的产生；为了保证粉末的成形质量，本发明中使用红外测温仪对上一增材层进行温度测量，使温度保持在150
±
5℃，该预热温度可以保证增材制造构件的正常成形。
15.本发明的有益效果：它利用等离子增材系统制备高熵合金梯度复合材料，添加颗粒增强相如wc等，改善fcc结构高熵合金原有存在的硬度、抗拉强度低的弱点，同时保证高熵合金的塑性不被影
响；与现有的单独制备高熵合金的技术相比，添加强化相颗粒可以有限解决高熵合金梯度材料强度-韧性存在的平衡问题，即在提高fcc结构高熵合金强度的同时不降低合金的塑性变形能力；自主设计的温度控制装置，能够抑制等离子增材高熵梯度材料过程中出现的裂纹、气孔等缺陷；本发明以wc作为颗粒增强相，使用本发明的方法颗粒相的选择不限于wc，可选择的颗粒增强相有石墨、tin、b4c等，这些颗粒相具有较高的硬度、良好的耐磨性能，对改善高熵梯度材料性能具有很大的帮助。
附图说明
16.为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。
17.图1为本发明的结构示意图；图2为本发明中等离子弧焊枪与温控装置的局部示意图；图3为本发明中等离子弧焊枪的原理示意图；图4为本发明中颗粒增强高熵梯度材料成形示意图。
18.1-粉筒一；2-粉筒二；3-气管一；4-等离子控制系统；5-气管二；6-离子气气瓶；7-保护气气瓶；8-送粉气气瓶；9-送粉管；10-等离子弧焊枪；11-增材工作台夹具；12-加热台；13-增材基板；14-温度控制仪；15-六轴机器人；16-钨针；17-等离子气通道；18-粉末和送粉气通道；19-保护气通道。
具体实施方式
19.如图1-图4所示，本具体实施方式采用以下技术方案：它包含粉筒一1、粉筒二2、气管一3、等离子控制系统4、气管二5、离子气气瓶6、保护气气瓶7、送粉气气瓶8、送粉管9、等离子弧焊枪10、增材工作台夹具11、加热台12、增材基板13、温度控制仪14、六轴机器人15，粉筒一1和粉筒二2的一端通过气管一3与等离子控制系统4连接，设定气体流量，调节粉盘转动的精确控制满足不同比例高熵合金和wc粉末的出粉量，等离子控制系统4通过气管二5分别与离子气气瓶6、保护气气瓶7和送粉气气瓶8连接，粉筒一1和粉筒二2的另一端通过两条送粉管9与等离子弧焊枪10上的送粉口1001连接，能够保证高熵合金粉末与颗粒增强相粉同步到达熔池；等离子弧焊枪10的下方设置有增材工作台夹具11，增材工作台夹具11上设置有加热台12，增材基板13放置在加热台12上，加热台12通过电线与温度控制仪14连接，增材前，启动加热台12对增材基板13进行预热，温度设定在150℃，在沉积下一层之间使用红外测温仪对上一层的温度进行测温，表面温度不低于150℃，等离子弧焊枪10的上端与六轴机器人15连接，通过控制六轴机器人15来调节等离子弧焊枪10与增材基板13的位置，起弧点高度为3mm，增材起始点高度为6mm，此后在沉积下一层之前将焊枪提升0.5mm，其余位置保持不变，设定离子气气瓶6、保护气气瓶7和送粉气气瓶8的气体流量，其中离子气为1.2l/min，保护气为12l/min，送粉气为2.5l/min，每一层总的送粉量为12g/min，在沉积第一层时，高熵合金出粉量为12g，wc出粉为0，在沉积下一层之前，调节粉筒一1和粉筒二2的出粉比例，两
种粉末的比例按照质量比进行，从顶层到底层wc质量分数为无极连续递减方式，wc最高质量分数为30%，设置完成后重复上述操作。
20.等离子弧焊枪10的中部设置有钨针16，钨针16外设置有等离子气通道17，焊接时用于产生等离子，钨针16与等离子气通道17之间留有2-3mm间隙，等离子气通道17外设置有粉末和送粉气通道18，可以同时输送两种不同的粉末，粉末和送粉气通道18外设置有保护气通道19，保护气能够将等离子电弧包围起来，为焊枪工作时保护熔池，使之不与大气接触。
21.工艺参数具体为130a，焊枪移动范围0.003m/s，总送粉量12g/min，各个气体的流量为离子气2.0 l/min，保护气20l/min，送粉气3.0l/min。
22.每一层总送粉量为12g/min，crmnfeconi高熵合金粉末以及wc粉末每一层沉积的比例按照质量比进行配比。
23.每层成形增材层厚度在0.5-1.0mm之间，wc含量的质量分数范围为0-30%，相邻层之间wc质量分数无极调整，从最顶层到最底层，wc质量分数依次连续递减。
24.高熵合金牌号为crmnfeconi高熵粉末，粉末粒径为50-150μm，其中cr、mn、fe、co、ni五种元素均按照原子比1：1：1：1：1混合，合金粉末纯度大于99.9%。
25.颗粒增强高熵梯度材料是以面心立方（fcc）结构的crmnfeconi粉末为基体材料，以wc粉末但不限定于wc作为强化相的梯度复合材料，高熵梯度复合材料的成形质量良好，致密度不低于99%。
26.温控装置包括加热台与红外测温仪，加热台对基体进行持续加热，保持温度在150℃，增加加热台不仅能够对基体进行预热，减少增材层与基体的热应力，同时保证在增材过程中增材层缓慢冷却，减少裂纹、孔隙等缺陷的产生；为了保证粉末的成形质量，本发明中使用红外测温仪对上一增材层进行温度测量，使温度保持在150
±
5℃，该预热温度可以保证增材制造构件的正常成形。
27.本具体实施方式的工作原理：等离子喷焊采用氩气作为高温热源，合金粉末作为填充金属，工作时等离子弧焊枪10在阴极和水冷铜嘴之间或阴极和工件之间(专利中钨针16为阴极，工件为阳极)，使得等离子气通道17电离形成电弧，此电弧通过孔径较小的喷嘴孔道，这一过程中电弧弧柱被强行压缩，这种电弧为“压缩电弧”，也称为等离子弧，粉末和送粉气通道18内的高熵合金粉末与颗粒增强粉末，在送粉气的推动下，粉末在铜嘴送粉通道中运动到达工件表面熔池，并在等离子弧高温作用下熔化为液滴，最外层的保护气通道19为焊枪工作时保护熔池不与外界空气接触。
28.本具体实施方式采用crmnfeconi高熵合金粉末以及wc粉末，将两种粉末分别放置于两个相同的粉筒中，增材时可以通过控制等离子送粉控制系统可同时调节两个粉筒的送粉量来控制粉末的比例，粉末通过送粉管能够同时到达熔池，根据实际要求调整高熵合金粉末与wc粉末在每一层的不同比例，同时增设一套温控装置，包含加热平台与测温平台，与温控装置共同作用下制造出符合要求的高熵梯度复合材料，提高增材高熵梯度复合材料的成形质量。
29.本具体实施方式利用等离子增材系统制备高熵合金梯度复合材料，添加颗粒增强相如wc等，改善fcc结构高熵合金原有存在的硬度、抗拉强度低的弱点，同时保证高熵合金的塑性不被影响；与现有的单独制备高熵合金的技术相比，添加强化相颗粒可以有限解决
高熵合金梯度材料强度-韧性存在的平衡问题，即在提高fcc结构高熵合金强度的同时不降低合金的塑性变形能力；自主设计的温度控制装置，能够抑制等离子增材高熵梯度材料过程中出现的裂纹、气孔等缺陷；本发明以wc作为颗粒增强相，使用本发明的方法颗粒相的选择不限于wc，可选择的颗粒增强相有石墨、tin、b4c等，这些颗粒相具有较高的硬度、良好的耐磨性能，对改善高熵梯度材料性能具有很大的帮助。
30.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

技术特征：
1.一种颗粒增强高熵梯度材料的制备方法及装置，其特征在于：它包含粉筒一(1)、粉筒二(2)、气管一(3)、等离子控制系统(4)、气管二(5)、离子气气瓶(6)、保护气气瓶(7)、送粉气气瓶(8)、送粉管(9)、等离子弧焊枪(10)、增材工作台夹具(11)、加热台(12)、增材基板(13)、温度控制仪(14)、六轴机器人(15)，粉筒一(1)和粉筒二(2)的一端通过气管一(3)与等离子控制系统(4)连接，等离子控制系统(4)通过气管二(5)分别与离子气气瓶(6)、保护气气瓶(7)和送粉气气瓶(8)连接，粉筒一(1)和粉筒二(2)的另一端通过两条送粉管(9)与等离子弧焊枪(10)上的送粉口(1001)连接；等离子弧焊枪(10)的下方设置有增材工作台夹具(11)，增材工作台夹具(11)上设置有加热台(12)，增材基板(13)放置在加热台(12)上，加热台(12)通过电线与温度控制仪(14)连接，等离子弧焊枪(10)的上端与六轴机器人(15)连接。2.根据权利要求1所述的一种颗粒增强高熵梯度材料的制备方法及装置，其特征在于：所述的等离子弧焊枪(10)的中部设置有钨针(16)，钨针(16)外设置有等离子气通道(17)，钨针(16)与等离子气通道(17)之间留有2-3mm间隙，等离子气通道(17)外设置有粉末和送粉气通道(18)，粉末和送粉气通道(18)外设置有保护气通道(19)。3.根据权利要求1所述的一种颗粒增强高熵梯度材料的制备方法及装置，其特征在于：所述的工艺参数具体为130a，焊枪移动范围0.003m/s，总送粉量12g/min，各个气体的流量为离子气2.0 l/min，保护气20l/min，送粉气3.0l/min。4.根据权利要求1所述的一种颗粒增强高熵梯度材料的制备方法及装置，其特征在于：所述的每一层总送粉量为12g/min，crmnfeconi高熵合金粉末以及wc粉末每一层沉积的比例按照质量比进行配比。5.根据权利要求1所述的一种颗粒增强高熵梯度材料的制备方法及装置，其特征在于：所述的每层成形增材层厚度在0.5-1.0mm之间，wc含量的质量分数范围为0-30%，相邻层之间wc质量分数无极调整，从最顶层到最底层，wc质量分数依次连续递减。6.根据权利要求1所述的一种颗粒增强高熵梯度材料的制备方法及装置，其特征在于：所述的高熵合金牌号为crmnfeconi高熵粉末，粉末粒径为50-150μm，其中cr、mn、fe、co、ni五种元素均按照原子比1：1：1：1：1混合，合金粉末纯度大于99.9%。7.根据权利要求1所述的一种颗粒增强高熵梯度材料的制备方法及装置，其特征在于：所述的颗粒增强高熵梯度材料是以面心立方（fcc）结构的crmnfeconi粉末为基体材料，以wc粉末但不限定于wc作为强化相的梯度复合材料，高熵梯度复合材料的成形质量良好，致密度不低于99%。

技术总结
本发明公开了一种颗粒增强高熵梯度材料的制备方法及装置，它涉及高熵合金技术领域，它包含粉筒一、粉筒二、气管一、等离子控制系统、气管二、离子气气瓶、保护气气瓶、送粉气气瓶、送粉管、等离子弧焊枪、增材工作台夹具、加热台、增材基板、温度控制仪、六轴机器人，粉筒一和粉筒二的一端通过气管一与等离子控制系统连接，等离子控制系统通过气管二分别与离子气气瓶、保护气气瓶和送粉气气瓶连接，粉筒一和粉筒二的另一端通过两条送粉管与等离子弧焊枪上的送粉口连接。它利用等离子增材系统制备高熵合金梯度复合材料，添加颗粒增强相如WC等，改善FCC结构高熵合金原有存在的硬度、抗拉强度低的弱点，同时保证高熵合金的塑性不被影响。响。响。


技术研发人员：李波 张帅 胡新元 李强 李文睿 王善林 洪启
受保护的技术使用者：中国电建集团江西省水电工程局有限公司
技术研发日：2023.08.18
技术公布日：2023/9/20