一种高熵合金涂层的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高熵合金涂层的制备方法，属于合金涂层的制备技术领域。本发明专利技术的制备方法，是将呈现单一面心立方结构的高熵合金粉料置于钢制基材表面；利用真空热压烧结炉进行烧结：首先将炉腔真空度调整为1.0×10-3 Pa，然后以5～10 K/min的升温速率升温至800～1000℃，控制烧结压力为20～40 MPa，烧结30～90 min。本发明专利技术以呈现单一面心立方结构的高熵合金粉料作为原料，首次采用真空热压烧结这一操作简单、所用设备常见的方式制备出了优异的高熵合金涂层；并通过控制烧结过程，使得所制备的CoCrFeNi涂层仍然保持单一面心立方结构，涂层的硬度和耐磨性明显提高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种高熵合金涂层的制备方法，属于合金涂层的制备

技术介绍
2004年，叶均蔚和CantorB两位学者率先突破传统研究的框架，几乎同时提出了新的合金设计理，即多主元高熵合金。它是由五种或五种以上元素组成，原子比为1:1或者近似1:1，且每种元素的成分介于5%到35%之间。高熵合金因具有较高的熵值和原子不易扩散的特性，凝固后不易形成金属间化合物等复杂结构，反而会形成简单的面心立方或体心立方相，同时合金中通常还有纳米析出物与非晶相等，其特性明显优于传统合金。多主元高熵合金是一个可合成、可加工、可分析、可应用的新合金领域,具有很高的学术研究价值和很大的工业发展潜力。目前，已经被应用于高熵合金涂层的制备方法主要有激光熔覆、磁控溅射和等离子熔覆等。激光熔覆是先将均匀混合的涂层用粉末均匀涂覆在基材上，再利用激光的高温熔化粉末，经快速冷却，从而制备高熵合金涂层。该制备方法需要大型激光器，生产成本较高；同时，激光熔覆的光斑外缘和内缘温度差别大，涂层组织形成不均，应力分配不匀，造成涂层硬度不均且排气浮渣不充分，易形成气孔夹渣；另外，由于不同材料对不同波长激光的吸收能力不同，造成用于激光熔覆材料选择限制较大。此外，磁控溅射沉积速率较高，合金成分容易控制，可以制备薄膜，但是其对靶材要求高，仪器昂贵，不能现场生产，生产成本较高，并且无法制备厚度在mm级别的涂层。等离子熔覆输入热量大，导致基体热变形量大；熔覆后得到的涂层孔隙率高、致密度不好，涂层易从基体表面脱落；且等离子熔覆需要大型专用设备，制备成本较高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高熵合金涂层的制备方法，所制备的高熵合金涂层能满足界面结合强度好、涂层均匀、致密度高、显微硬度高及耐磨性能优异的要求。技术方案一种高熵合金涂层的制备方法，包括以下步骤：（1）将呈现单一面心立方结构的高熵合金粉料置于钢制基材表面，高熵合金粉料厚度1.0～1.5mm；（2）利用真空热压烧结炉进行烧结：先将炉腔真空度调整为1.0×10-3Pa，然后以5～10K/min的升温速率升温至800～1000℃，控制烧结压力为20～40MPa，烧结30～90min；所述高熵合金粉料是由Co、Cr、Fe和Ni金属粉末组成，其中每种金属粉末含量占高熵合金粉料总摩尔数的5～35%。本专利技术首次采用真空热压烧结这一操作简单、所用设备常见的方式制备出了高熵合金涂层。首先，研究实验过程中发现：真空热压烧结方法的工艺参数决定了是否能制备出高熵合金涂层。本专利技术将“真空热压烧结”的工艺条件设置为“先将炉腔真空度调整为1.0×10-3Pa，然后以5～10K/min的升温速率升温至800～1000℃，控制烧结压力为20～40MPa，烧结30～90min”从而制备出了成功涂覆于基材的高熵合金涂层。采用本专利技术的方法获得的高熵合金涂层的厚度为0.3～1.0mm。其次，本专利技术的方法，以呈现单一面心立方结构的高熵合金粉料作为原料，采用真空热压烧结方式进行烧结，并通过控制烧结过程，使得所制备的CoCrFeNi高熵合金涂层仍然保持单一面心立方结构；由于各主元原子半径不同，导致CoCrFeNi高熵合金具有较大的晶格畸变，应变能增加，阻碍位错滑移，使固溶强化效果增强，因而涂层具有较高的硬度和优异的耐磨性能。再次，“真空热压烧结”过程中，升温速率若过快，粉末间隙的气体不易排出，使得涂层致密性受到影响。最高烧结温度与保温时间之间存在一定的相互制约，同时，两者可以在一定程度上相互补偿。此外，烧结后期主要受制于扩散传质，若保温时间过长，晶粒长大且浪费热能；最高烧结温度过高，容易导致涂层用粉末熔化，而温度过低则不能形成致密的涂层。适当的压力可以使得颗粒的堆积更紧密，接触面积越大，涂层越致密。因此，为了获得界面结合强度好、涂层组织均匀、致密度高、显微硬度高及耐磨性能优异的高熵合金涂层，本专利技术对热压烧结参数进行了进一步限定。上述方法，优选的，升温速率为10K/min，于950℃、30MPa烧结60min。在此条件下，制备的该涂层与基体的界面结合强度更好、更不容易开裂、更均匀且致密度更高，硬度更高且更耐磨。上述方法，优选的，所述高熵合金粉料的制备方法：将金属粉末按照比例混合，然后用行星式球磨机进行机合金进化；工艺参数为：转速200～400r/min，球料比10:1～20:１，时间为180～220h。上述方法，优选的，所述高熵合金粉料粒度为5～15μm。上述方法，优选的，高熵合金粉料中Co、Cr、Fe和Ni金属粉料的摩尔比为1:1:1:1。上述方法，优选的，在步骤（1）之前对基材进行预处理：用铣床对基材表面进行切削，去掉氧化层，直至露出金属光泽、基材表面平整；再对基材表面用无水乙醇进行清洗，清洗完毕后用蒸馏水清洗并烘干备用。上述方法，基材为Q235钢。本专利技术中，所述Co、Cr、Fe和Ni金属粉末纯度为质量百分数不低于99.9％。有益效果：1、相对现有技术中涂层制备技术，本专利技术的方法具备操作简单、成本低廉、制备时间短、涂层容易成型的优势；发挥了高熵合金的应用潜力，并且使高熵合金这一新兴材料应用于表面涂层领域变成了可能，而较为简单的热压烧结工艺为涂层的制备提供了新的方式。2、本专利技术的方法所制备出的涂层与基材结合牢固，涂层均匀、不容易开裂、致密度高，涂层硬度高达450HV，硬度显著提高；摩擦系数远低于基材Q235钢，说明其耐磨性显著提高。3、本专利技术的制备髙熵合金涂层的方法，以Co、Cr、Fe和Ni为原料，均为常见金属元素，来源广泛且价格便宜。附图说明图1为本专利技术实施例1制备的CoCrFeNi高熵合金涂层的宏观形貌；图2为本专利技术实施例1制得的高熵合金粉末与高熵合金涂层的XRD图谱；图3为本专利技术实施例1制备的CoCrFeNi高熵合金涂层的截面的扫面电镜图片；图4为本专利技术的实施例1制得的高熵合金涂层与基材Q235钢的摩擦系数-时间曲线；图5为对比例1制备的涂层的截面的扫面电镜图片；图6为对比例4制备的涂层的截面的扫面电镜图片。具体实施方式下面结合试验例及具体实施方式对本专利技术作进一步的详细描述。实施例1选用Q235钢作为基材，包括以下步骤：步骤（1）：配制涂层粉料：粒度为75μm、纯度为质量百分数不低于99.5％的Co、Cr、Fe和Ni金属粉末，按摩尔比1：1：1：1的比例配料，得涂层粉料。步骤（2）：将涂层粉料置于行星式球磨机中，其中，转速：200～400r/min本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）将呈现单一面心立方结构的高熵合金粉料置于钢制基材表面，高熵合金粉料厚度1.0～1.5 mm；（2）利用真空热压烧结炉进行烧结：先将炉腔真空度调整为1.0×10‑3 Pa，然后以5～10 K/min的升温速率升温至800～1000℃，控制烧结压力为20～40 MPa，烧结30～90 min；所述高熵合金粉料是由Co、Cr、Fe和Ni金属粉末组成，其中每种金属粉末含量占高熵合金粉料总摩尔数的5～35%。

【技术特征摘要】
1.一种高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将呈现单一面心立方结构的高熵合金粉料置于钢制基材表面，高熵合金粉料厚度
1.0～1.5mm；
（2）利用真空热压烧结炉进行烧结：先将炉腔真空度调整为1.0×10-3Pa，然后以5～10
K/min的升温速率升温至800～1000℃，控制烧结压力为20～40MPa，烧结30～90min；
所述高熵合金粉料是由Co、Cr、Fe和Ni金属粉末组成，其中每种金属粉末含量占高熵合
金粉料总摩尔数的5～35%。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，升温速率为10K/min，于950℃、30MPa烧结
60min。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，高熵合金粉料中Co、C...

【专利技术属性】
技术研发人员：王艳，商彩云，葛文娟，张子堂，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：山东;37