钛合金表面激光熔覆高熵合金
Al和Ti含量对激光熔炼AlxNbTiyV轻质高熵合金组织与性能的影响
第 1 期第 137-145 页材料工程Vol.52Jan. 2024Journal of Materials EngineeringNo.1pp.137-145第 52 卷2024 年 1 月Al 和Ti 含量对激光熔炼Al x NbTi y V 轻质高熵合金组织与性能的影响Effect of Al and Ti content on microstructure and properties of laser melting Al x NbTi y V lightweight high entropy alloy李子兴1，2，朱言言1，2，3*，程序1，2，3，张言嵩2，4，高红卫1，2，霍海鑫1，2（1 北京航空航天大学 前沿科学技术创新研究院，北京 100191；2 北京航空航天大学 大型金属构件增材制造国家工程实验室，北京 100191；3 北京航空航天大学 宁波创新研究院，浙江 宁波 315800；4 北京航空航天大学 材料科学与工程学院，北京 100191）LI Zixing 1，2，ZHU Yanyan 1，2，3*，CHENG Xu 1，2，3，ZHANG Yansong 2，4，GAO Hongwei 1，2，HUO Haixin 1，2（1 Research Institute for Frontier Science ，Beihang University ，Beijing100191，China ；2 National Engineering Laboratory of AdditiveManufacturing for Large Metallic Components ，Beihang University ，Beijing 100191，China ；3 Ningbo Institute of Technology ，Beihang University ，Ningbo 315800，Zhejiang ，China ；4 School of Materials Science and Engineering ，Beihang University ，Beijing 100191，China ）摘要：轻质高熵合金在结构材料轻量化方面显示出巨大的应用价值，激光熔炼和激光增材制造技术因其极端冶金条件，为高熵合金研制提供了新思路。
激光增材制造AlxCoCrFeNi高熵合金的组织与性能
第 1 期第 220-230 页材料工程Vol.52Jan. 2024Journal of Materials EngineeringNo.1pp.220-230第 52 卷2024 年 1 月激光增材制造Al x CoCrFeNi 高熵合金的组织与性能Microstructure and properties of Al x CoCrFeNi high entropy alloys fabricated by laser additive manufacturing于丽莹1，王晨1，2，朱礼龙1，张华1，黄海亮1，阮晶晶1，张尚洲1，江亮1，周鑫1*（1 烟台大学 精准材料高等研究院，山东 烟台 264005；2 中南大学 粉末冶金国家重点实验室，长沙410083）YU Liying 1，WANG Chen 1，2，ZHU Lilong 1，ZHANG Hua 1，HUANG Hailiang 1，RUAN Jingjing 1，ZHANG Shangzhou 1，JIANG Liang 1，ZHOU Xin 1*（1 Institute for Advanced Studies in Precision Materials ，Yantai University ，Yantai 264005，Shandong ，China ；2 State Key Laboratory of PowderMetallurgy ，Central South University ，Changsha 410083，China ）摘要：为了研究Al 含量对FeCoCrNi 合金组织性能的影响，采用多路送粉激光熔覆设备高通量制备Al x CoCrFeNi 高熵合金（0≤x ≤0.9），通过X 射线衍射仪、金相显微镜、扫描电子显微镜、电子探针和显微硬度计测试合金的相组成、显微组织结构、成分和硬度。
结果表明：随着Al 含量的增加，Al x CoCrFeNi 高熵合金由单一FCC 相（x ≤0.35）转变为FCC+BCC 双相结构（0.35<x <0.85），最后转变为单一BCC 结构（x ≥0.85）。
钛合金激光熔覆的几种熔覆体系
关于钛合金表面激光熔覆熔覆体系的总结概况钛合金表面激光熔覆材料主要包括：自熔性合金材料、复合材料、陶瓷材料。
其中，自熔性合金材料主要有铁基合金、镍基合金、钴基合金三大系列。
其主要特点是含有强烈脱氧和自熔作用的硼元素和硅元素。
这类合金在激光熔覆时，硼和硅被氧化生成氧化物，在熔覆层表面形成薄膜。
这种薄膜既能防止合金中的元素被过度氧化，又能与这些元素的氧化物形成硼硅酸盐熔渣，从而减少熔覆层中的夹杂物和含氧量，易获得氧化物含量低、气孔率少的激光熔覆层。
硼和硅还能降低合金的熔点，改善熔体对基体金属的润湿能力，对合金的流动性及表面张力产生有利的影响。
自熔合金的硬度随合金中硼、硅含量的增加而提高。
这是由于硼、硅元素与合金中的镍、铬等元素形成硬度极高的硼化物和碳化物的数量增加所致。
1.镍基合金粉末镍基合金粉末具有良好的润湿性、耐蚀性、高温自润滑作用，主要适用于局部要求耐磨、耐热腐蚀及抗热疲劳的构件，所需的激光功率密度要比熔覆铁基合金的略高。
镍基合金的合金化原理是运用Fe、Cr、Co、Mo、W等元素进行奥氏体固溶强化，运用Al、Ti等元素进行金属间化合物沉淀强化,运用B、Zr、Co等元素实现晶界强化。
镍基自熔性合金粉末中各元素的挑选正是基于以上原则来选择的，而合金元素添加量则依据合金成形性能和激光熔覆工艺来确定。
目前，镍基自熔性合金主要有Ni-B-Si和Ni-Cr-B-Si两种，前者硬度低，韧性好，易于加工；后者是在Ni-B-Si合金基础上加入适当的Cr而形成的。
Cr能溶于Ni中形成镍铬固溶体而增加熔覆层强度，提高熔覆层的抗氧化性和耐蚀性。
Cr还能与B和C形成硼化物和碳化物，提高熔覆层的硬度和耐磨性。
增加Ni-Cr-B-Si合金中的C、B和Si 含量，可使熔覆层硬度从25HRC提高到60HRC左右，但熔覆层的韧性相应却有所下降。
这类合金中实际应用较多的是Ni60和Ni45。
另外，通过增加其成分中Ni的含量，可使裂纹率明显下降。
激光熔覆高熵合金涂层的研究进展
激光熔覆高熵合金涂层的研究进展激光熔覆高熵合金涂层是一种应用于材料表面改性工艺中的新型技术。
高熵合金是指由五种或更多元素构成的合金，具有优异的力学性能和化学稳定性。
激光熔覆是一种通过高能量密度激光束将粉末材料瞬间熔化并喷射到基体表面形成涂层的过程。
本文将对近年来激光熔覆高熵合金涂层的研究进展进行探讨。
近年来，激光熔覆高熵合金涂层的研究逐渐受到关注。
首先，研究人员通过调控激光功率、扫描速度和激光束偏转等参数，成功制备出了具有较好性能的高熵合金涂层。
例如，通过优化激光功率和扫描速度可以有效控制涂层的微观结构和组织形貌，提高涂层的致密性和界面结合力。
此外，通过使用激光束偏转技术，可以实现对涂层表面的复杂几何形状进行加工。
其次，研究人员还通过合金元素的选择和调节，进一步改善了高熵合金涂层的性能。
例如，增加合金元素含量可以提高涂层的硬度和耐磨性，而添加助剂元素则可以改善涂层的耐腐蚀性能。
此外，研究人员还尝试了不同组元比例的高熵合金涂层，并通过分析其相组成和组织结构，探索了合金元素对涂层性能的影响机制。
此外，研究人员还对激光熔覆高熵合金涂层的力学性能进行了深入研究。
通过压缩试验、拉伸试验和硬度测试等手段，研究人员评估了高熵合金涂层的力学性能。
研究结果表明，高熵合金涂层具有较高的硬度和优异的抗磨损性能，且其力学性能与传统合金涂层相比具有较大优势。
最后，研究人员还对激光熔覆高熵合金涂层的应用进行了拓展。
由于高熵合金涂层具有良好的耐磨、耐腐蚀和高温性能，可以应用于航空航天、汽车制造和能源领域等多个工业领域。
例如，在汽车发动机缸体上涂覆高熵合金涂层，可以提高其耐磨性和使用寿命。
在航空航天领域，高熵合金涂层可以应用于发动机涡轮叶片和航空发动机冷却片等高温部件。
因此，激光熔覆高熵合金涂层具有广阔的应用前景和市场潜力。
综上所述，激光熔覆高熵合金涂层的研究进展在材料表面改性领域具有重要意义。
通过合理地选择合金元素、优化加工参数和控制涂层结构，可以制备出具有优异性能的高熵合金涂层。
一种激光熔覆七元高熵合金涂层及其制备方法[发明专利]
![一种激光熔覆七元高熵合金涂层及其制备方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/2e9b36e077eeaeaad1f34693daef5ef7ba0d12cb.png)
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010574932.2(22)申请日 2020.06.22(71)申请人 昆明理工大学地址 650093 云南省昆明市五华区学府路253号(72)发明人 刘洪喜 邸英南 郝轩弘 刘径舟 蔺健全 (74)专利代理机构 昆明合盛知识产权代理事务所(普通合伙) 53210代理人 龙燕(51)Int.Cl.C23C 24/10(2006.01)C22C 30/00(2006.01)(54)发明名称一种激光熔覆七元高熵合金涂层及其制备方法(57)摘要本发明公开一种激光熔覆制备七元高熵合金涂层及其制备方法，属于合金表面涂层改性的技术领域；高熵合金粉末为Al、Co、Cr、Fe、Mo、V、Ti。
基体材料为Ti ‑6Al ‑l4V(TC4)钛合金，高熵合金粉末中各原料的原子分数为Al(10％～16％)、Co (11％～15％)、Cr(9％～16％)、Fe (6％～15％)、Mo(8％～17％)、V(8％～15％)、Ti(12％～16％)，所有组分总和为100％。
通过CO 2激光器发射出的高能激光束将配置好的合金粉末熔覆于基材表面形成高熵合金涂层，基材与熔覆层呈冶金结合，达到表面改性的目的，从而增加了钛合金的硬度、耐磨性以及抗腐蚀性，进而延长钛合金的使用寿命。
权利要求书1页 说明书4页 附图2页CN 111850543 A 2020.10.30C N 111850543A1.一种激光熔覆七元高熵合金涂层，其特征在于，所述合金涂层由以下原料制备得到，各原料及其原子分数为：Al为10％～16％、Co为11％～15％、Cr为9％～16％、Fe为6％～15％、Mo为8％～17％、V为8％～15％、Ti为12％～16％，所有组分的原子分数总和为100％。
2.根据权利要求1所述激光熔覆七元高熵合金涂层，其特征在于：所有金属粉末的纯度大于等于99.9％，粒径为200～350目。
钛合金表面激光熔覆改性技术
钛合金的磨损机理为塑性变形，显微切削 熔覆层的磨损机理为疲劳磨损和磨粒磨损
20℃下磨损形貌，左边基材，右边熔覆层
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提高抗氧化性能——激光熔覆TiVCrAlSi高熵合金涂层
高熵合金：具有5种或者5种以上合金元素以等摩尔
比或近等摩尔比混合形成的固溶体合金。具有很好 的力学性能，耐磨耐蚀性能和高温性能。 希望用激光熔覆的方法在钛合金表面制备高熵 合金涂层来提高其高温抗氧化性能。
用细胞培养实验（MTT）测试表面的生物 相容性。 490 nm波长吸收光度可以测量表面的细胞 数量 随着时间延长，细胞数目都是增加的，但 是HA涂层的细胞数量多于钛合金表面。
钛合金表面细胞成梭型，细胞聚集在一起， 较少铺展开；HA表面的细胞铺展开来并相 互联结。可以看出HA表面的生物相容性较 钛合金更好
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钛合金在应用中存在的一些问题
耐磨性能 钛合金具有比强度高、耐蚀性能好等优点，是航天、航空、汽车、 船舶和化工等部门中广泛使用的结构材料。但是，由于钛合金硬度较 低（约360HV），用在摩擦部位时，易产生磨损而失效，这就阻碍了钛 合金的广泛使用，限制了它在运动构件上的应用。 耐蚀性能和抗氧化性能 Ti是一种很活泼的金属，在常温下钛合金表面会有一层致密的氧化 膜起到保护的作用，但是在高温下，氧化膜会失去保护的作用，导致 钛合金构件因为氧化腐蚀而失效。 生物相容性 钛合金具有较好的生物组织相容性和很高的比强度, 是制备人工骨骼 比较理想的材料。但是纯Ti的机械强度较低，也不耐磨，为了提高Ti的 机械性能，常添加Al、V、Mo、Zr、Nb等元素形成合金，但这是以牺牲 其生物相容性为代价的。这些合金元素会缓慢的释放，对人体造成影 响。
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参考文献
[1]. Fei Weng, Chuanzhong Chen, Huijun Yu. Research status of laser cladding on titanium and its alloys- A review. Materials and Design (2014) 58:412–425 [2]. Xiu-Bo Liu, Xiang-Jun Meng, Hai-Qing Liu, Gao-Lian Shi, Shao-Hua Wu, Cheng-Feng Sun,Ming-Di Wanga, Long-Hao Qi. Development and characterization of laser clad high temperature self-lubricating wear resistant composite coatings on Ti–6Al–4V alloy. Materials and Design (2014) 55:404–409 [3]. Can Huang, Yongzhong Zhang. Thermal stability and oxidation resistance of laser clad TiVCrAlSi high entropy alloycoatings on Ti–6Al–4V alloy, Surface & Coatings Technology, (2011) [4]. D.G. Wang, C.Z. Chen, J. Ma, G. Zhang. In situ synthesis of hydroxyapatite coating by laser claddin. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces (2008) 66:155–162 [5]. Min Zhenga, Ding Fan, Xiu-Kun Li, Wen-Fei Li, Qi-Bin Liu, Jian-Bin Zhang. Microstructure and osteoblast response of gradient bioceramic coating on titanium alloy fabricated by laser cladding. Applied Surface Science (2008) 255: 426–428 [6]. Can Huang , Yongzhong Zhang. Dry sliding wear behavior of laser clad TiVCrAlSi high entropy alloy coatings on Ti-6Al-4V substrate, Materials and Design, (2012)
激光熔覆高熵合金涂层的研究现状及存在的问题
激光熔覆高熵合金涂层的研究现状及存在的问题激光熔覆技术是一种常用的表面改性技术，可以通过在基材表面刻蚀得到所需的复杂结构和性能，广泛应用于冶金、航空航天、汽车等行业。
高熵合金是一种特殊的合金材料，具有出色的力学性能和耐热性能，在高温和高应力环境下表现出优异的综合性能。
因此，研究激光熔覆高熵合金涂层对于提高材料表面性能具有重要意义。
本文将从高熵合金及其涂层的特点、激光熔覆技术的应用、研究现状和存在的问题等方面进行综述。
一、高熵合金的特点高熵合金是一种由五种或更多元素构成的合金，其中每种元素的摩尔含量相近。
高熵合金与传统合金相比具有以下几个显著特点：1. 多元元素：高熵合金由多种元素组成，具有均匀的化学成分，这使得它们在合金的微结构上具有很高的复杂性。
2. 高熵性：高熵合金的熵值接近理论熵上限，即具有高度混乱的排列态。
这种高度混乱的排列方式使得高熵合金具有出色的力学性能和耐热性能。
3. 均匀性：高熵合金中各种元素的分布是均匀的，这使得高熵合金具有很高的韧性和抗腐蚀性。
二、激光熔覆技术的应用激光熔覆是一种基于激光焊接的表面改性技术，通过在基材表面加热并熔化材料，然后迅速冷却形成涂层，可以有效地提高材料的硬度、耐磨性、耐腐蚀性等性能。
激光熔覆技术在冶金、航空航天、汽车等行业具有广泛的应用，可以大幅提高材料的使用寿命和性能。
三、激光熔覆高熵合金涂层的研究现状目前，对于激光熔覆高熵合金涂层的研究主要集中在以下几个方面：1. 材料开发：研究者通过调控高熵合金中的元素含量和种类，寻找合适的高熵合金材料，以提高涂层的性能。
2. 工艺优化：激光熔覆工艺参数的选择对于涂层的性能具有重要影响。
研究者通过优化激光功率、扫描速度、熔覆层数等参数，以提高涂层的致密性和硬度。
3. 相变控制：高熵合金涂层的相变过程对于涂层性能具有重要影响。
研究者通过控制激光熔覆参数和熔覆材料的组成，以控制涂层相变过程，提高涂层的力学性能和耐热性能。
高熵合金简介
高熵合金的特点及其制备技术摘要：高熵合金是2004年由叶均蔚提出的一种新的合金设计方法，在过去的10多年里，被广泛的研究，取得了相当多的研究成果。
高熵合金由多种含量相近的主元混合而成，由于主元数增多，混合熵增加，混产生独特的高熵效应，并抑制金属间化合物和其他有序相的生成。
高熵合金的强化机制以固溶强化为主，部分高熵合金还存在第二相弥散强化。
高熵合金的制备方法主要是真空电弧熔炼，还有很多新的制备方法有待探究。
关键词：高熵合金高熵效应强化机制制备方法传统的合金都是基于一种或者两种金属为主体，通过添加其他合金元素来获得所需要的性能。
即使是大尺寸非晶材料，其设计理念也是以多种元素构成基体再添加其他合金元素。
在2004年的时候，叶均蔚提出了一种新的合金设计理念——多主元高熵合金，这种合金一般含有五种或五种以上的合金元素，且每种合金元素含量都在5%以上，没有任何一种元素占绝对多数[1][2]。
一、高熵效应按照传统的经验，合金元素在合金中的固溶量是有限的。
随着合金元素含量的增加，合金中出现复杂结构的金属间化合物及复杂相，这容易使合金的脆性增加。
但是在高熵合金中，尽管添加了如此多的合金元素，其晶体结构依然能够维持相对简单的FCC或BCC固溶体结构，同时还具有很多优于传统合金的独特性能，而这一切都得益于于高熵效应。
在高熵合金中，当元素数目较多而导致合金系统的混合熵高于形成金属间化合物的熵变时,高熵效应就会抑制金属间化合物的出现，而促使元素间的混合，最终形成体心立方结构（BCC）或面心立方结构（FCC）等较为简单的结构[1][2]。
根据玻尔兹曼熵的计算公式：S=klnΩ，熵值取决于体系的混乱程度。
当各种元素以等原子比混合时，其混合熵的计算公式：ΔS= Rln(n)，其混合熵ΔS值随元素种类数量的增加而增加。
当n=2时，ΔS=0.693R；当n=5时，ΔS=1.61R；当n=6时，ΔS= 1.79R。
当n大于5时，这一值已经和很多金属间化合物的形成焓与形成温度的比值（ΔH /T m）接近。
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钛合金表面激光熔覆高熵合金
钛合金是一种广泛应用于航空航天、汽车工业、医疗器械等领域的重
要结构材料，具有优异的力学性能和耐腐蚀性能。
然而，钛合金在一些极
端环境下，如高温、高压、强腐蚀性环境下，仍然面临着一定的挑战。
为
了进一步提升钛合金的性能，可以通过激光熔覆技术在其表面涂覆高熵合金。
高熵合金是近年来发展起来的一种新型材料，由于其具有高度均匀的
成分分布和一定的稳定性，逐渐受到工程界的关注。
高熵合金由多种元素
组成，相较于传统合金，高熵合金的成分比较复杂，因而具有非常特殊的
结构和性能。
高熵合金具有较低的热传导率、高的熔点和较好的耐腐蚀性能，这些特点使得高熵合金在面对极端环境时具有更好的表现。
激光熔覆技术是一种将激光束、高能密度激光束照射于特定材料表面，使其迅速熔化并与基材混合的方法。
激光熔覆可以在钛合金表面形成一层
非常薄的高熵合金涂层，从而能够改善钛合金的性能。
激光熔覆的优点在
于能够选择多种不同元素的粉末作为原材料，通过调整熔覆工艺参数，实
现合金材料的多种组分优化。
钛合金表面激光熔覆高熵合金的方法一般分为两步。
首先，在钛合金
表面预先涂覆一层高熵合金原材料的粉末。
随后，利用激光束对涂层进行
熔覆。
激光的高能量密度可以将粉末迅速加热熔化，形成液态合金，并与
钛合金基材发生冷凝反应。
熔覆过程中，粉末中的元素会与基材中的元素
发生扩散，形成均匀的合金结构，并与基材牢固结合。
因此，激光熔覆技
术可以在表面形成一层具有高熵合金结构的涂层。
通过激光熔覆高熵合金在钛合金表面形成的涂层，具有很多独特的性能优势。
首先，高熵合金涂层具有较低的热传导率，可以有效降低热应力和热疲劳现象的发生，提高材料的热稳定性。
其次，高熵合金涂层具有很高的熔点，可以保护钛合金基材免受高温腐蚀的侵蚀。
此外，高熵合金涂层还具有较好的耐腐蚀性能，可以有效抵抗强腐蚀性介质的侵蚀。
最后，高熵合金具有高硬度和较好的耐磨性能，可以提高钛合金的抗磨损性能。
总的来说，钛合金表面激光熔覆高熵合金是一种有效提高钛合金材料性能的方法。
通过激光熔覆技术，在钛合金表面形成高熵合金涂层，可以提高钛合金的热稳定性、耐腐蚀性能和耐磨性能。
此外，激光熔覆技术还具有可调控合金成分和结构、制备简便等优点。
然而，目前钛合金表面激光熔覆高熵合金的研究还处于起步阶段，仍然有待进一步的研究和应用。