本发明专利技术涉及一种耐高温磨损的高熵合金涂层及其制备工艺、应用，包括步骤如下：(1)将钛合金试样表面打磨，清洗；(2)将金属粉末、陶瓷硬质相和稀土氧化物混合均匀，形成熔敷材料粉末，平铺在上述清洗后的钛合金表面；(3)采用激光熔覆制备钛合金涂层；其中，金属粉末为Ti、Ni、Al、Si和V，陶瓷相材料为B4C、TiC或TiN，稀土氧化物为Y2O3。该种高熵合金涂层能够显著提高钛合金零部件的硬度，改善钛合金部件的耐磨性、扩大钛合金零部件的使用范围。
A High Entropy Alloy Coating with High Temperature Wear Resistance and Its Preparation Technology and Application
The invention relates to a high-temperature wear-resistant high-entropy alloy coating and its preparation process and application, including the following steps: (1) grinding and cleaning the surface of titanium alloy sample; (2) mixing metal powder, ceramic hard phase and rare earth oxide evenly to form deposited material powder, which is laid flat on the surface of titanium alloy after cleaning; (3) preparing titanium alloy coating by laser cladding; Metal powder is Ti, Ni, Al, Si and V, ceramic phase material is B4C, TiC or TiN, rare earth oxide is Y2O3. The high-entropy alloy coating can significantly improve the hardness of titanium alloy parts, improve the wear resistance of titanium alloy parts, and expand the application scope of titanium alloy parts.
【技术实现步骤摘要】
一种耐高温磨损的高熵合金涂层及其制备工艺、应用
本专利技术属于一种耐高温磨损的高熵合金涂层，特别涉及一种钛合金表面激光熔覆陶瓷相增强的高熵合金耐磨涂层及其制备工艺，适用于高温与耐磨环境复杂环境下应用的钛合金零部件。
技术介绍
由于钛合金具有密度低、比强度高、疲劳蠕变性能好、耐蚀性能优异等特点，在航空、航天、船舶、兵器、化工、冶金以及日常生活等领域得到较广泛的应用。钛合金具有低的表面硬度，导致承载能力差，易与其他材料发生粘着磨损和微动磨损，导致其具有低的耐磨性，尤其是在高温磨损的服役条件下，严重限制了其广泛的应用。在钛合金表面制备一层耐磨的涂层防止钛合金的磨损，可以发挥钛合金的优点。所以表面改性技术是最佳的选择，表面改性技术在提高表面性能的同时，保持了钛合金整体力学性能等优点。例如：专利CN108220957A公开了一种钛合金表面耐高温涂层及其制备方法，所述涂层的原始原料的成分体系(45～75)％Al-(10-20)-Nb-(5-20)％Si-(0～15)-B-(0～20)％B4C-(0～10)％C，采用激光表面合金化的方式，在钛合金表面制备原位生成的耐高温涂层与基体呈典型的冶金结合，这种涂层不仅具有优异的抗高温氧化、磨损性能，同时，涂层的厚度也得到了大幅度提高，很好地解决了现有技术中存在的涂层厚度、硬度、耐磨性难以均衡提高的问题，极具应用前景。高熵合金多主元互溶，原子间的尺寸差，改变了晶格常数，增加了晶格畸变，使合金表现出强的固溶强化效果，使得多元高熵合金具有高的硬度和强度、高的耐磨性等优异的性能。因此，多主元高熵合金被引入作为表面涂层材料，即能满足需求，又能节约成本。但专利技术人发现：目前，关于钛合金表面激光熔覆陶瓷相增强的TiAlNiSiV高熵合金涂层的报道较少。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种钛合金表面陶瓷相增强的TiAlNiSiV高熵合金涂层的制备工艺，该种高熵合金涂层能够显著提高钛合金零部件的硬度，改善钛合金部件的耐磨性、扩大钛合金零部件的使用范围。为实现上述技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种钛合金表面陶瓷相增强的TiAlNiSiV高熵合金涂层的制备方法，包括步骤如下：(1)将钛合金试样表面打磨，清洗；(2)将金属粉末、陶瓷硬质相和稀土氧化物混合均匀，形成熔敷材料粉末，平铺在上述清洗后的钛合金表面；(3)采用激光熔覆制备钛合金涂层；其中，金属粉末为Ti、Ni、Al、Si和V，陶瓷相材料为B4C、TiC或TiN，稀土氧化物为Y2O3。本申请在开放的氩气环境下采用激光熔覆技术在钛合金表面熔覆多主元TiAlNiSiV高熵合金涂层，生成NiAl和(Ti,V)5Si3为主要组成相，陶瓷相TiN等为辅助相的高硬度、高耐磨性的高熵合金涂层，涂层与钛合金表面形成了结合强度高的冶金结合。在一些实施例中，所述的熔覆材料粉末质量配比为Ti5～50％、Ni5～65％、Al5～30％、Si5～30％、V5～40％、陶瓷相材料0～40％、Y2O30～4％。若是上述元素比例超出范围，则容易产生金属间化合物的结晶相。在一些实施例中，所述的熔覆材料粉末质量配比为Ti8～45％、Ni8～60％、Al8～25％、Si8～25％、V8～35％、陶瓷相材料5～35％、Y2O30.5～3.5％。在该比例范围内，制备的涂层显微硬度更高，杂质相少。在一些实施例中，所述的熔覆材料粉末质量配比为Ti10～40％、Ni10～50％、Al10～20％、Si10～20％、V10～30％、陶瓷相材料8～30％、Y2O31～3％。在该比例范围内，制备的涂层更为均匀、致密，高温磨损率低。在一些实施例中，所述钛合金为Ti-6Al-4V(TC4)。钛合金基体的组成会影响与后续涂层的结合力和腐蚀电流，因此，本申请采用Ti-6Al-4V(TC4)以保证本申请的涂层与与基材的接合强度高，且腐蚀电流小。在一些实施例中，所述激光熔覆的条件为：激光功率为1000W～3500W，激光的扫描速度为250～300mm/min，吹惰性气体保护，气体流量为12～15L/min，激光的光斑直径固定为3.5-5mm。若激光功率过低，则无法使铺层有效熔融。若激光功率过高，则合金涂层将转变为结晶质，而降低其耐腐蚀性。在一实施方式中，激光扫描速率介于250～300mm/min之间。若激光扫描速率过低，则铺附层受热时间过长，产生结晶。若激光扫描速率过高，则受热时间过低，无法有效对合金和陶瓷粉末进行熔融。在一些实施例中，平铺涂层的厚度控制在0.6～0.8mm。若铺层的厚度过小，则涂层厚度较薄，无法提供保证高耐磨性。若层的厚度过大，涂层的附着力下降，且继续增加涂层厚度对涂层的耐磨性提升不大。本专利技术还提供了任一上述的方法制备的钛合金涂层。涂层材料可取代传统钛合金涂层与陶瓷材料以应用于飞机紧固件、柳钉、高压气管、液管、射出螺杆及各种旋转设备(叶轮、涡轮、或泵等)，以达到高耐腐蚀性以及高耐磨耗的要求。本专利技术还提供了一种钛合金，所述钛合金表面负载有上述的涂层。通过负载上述涂层，使钛合金的达到高耐腐蚀性以及高耐磨耗的要求，可以更为广泛的应用于航空、航天、船舶、兵器、化工、冶金以及日常生活中，提升合金材料与工件的接合强度。本专利技术的有益效果在于：(1)本专利技术是在开放的氩气环境下采用激光熔覆技术在钛合金表面熔覆多主元TiAlNiSiV高熵合金涂层，生成NiAl和(Ti,V)5Si3为主要组成相，陶瓷相TiN等为辅助相的高硬度、高耐磨性的高熵合金涂层，涂层与钛合金表面形成了结合强度高的冶金结合。(2)激光熔覆过程生成的Ti5Si3和V5Si3，其在高温时都具有相同D8结构，能够互溶生成固溶体(Ti,V)5Si3，(Ti,Cr)5Si3是由Ti5Si3和Cr5Si3互溶生成的，Ti5Si3和Cr5Si3的自由能为负，能够自发生成，V5Si3的自由能小于Cr5Si3，自发形成的趋势大，(Ti,V)5Si3生成的趋势高于(Ti,V)5Si3。由于Al和Ni之间具有高的吸引力，生成了据有B2结构的NiAl(BCC)，而不是生成了金属间化合物NiAl。由于是在开放的环境中熔覆的试样，空气中的N2能和钛合金表面的Ti元素反应生成TiN化合物。在开放的氩气环境下采用激光熔覆技术制备的多主元TiAlNiSiV高熵合金涂层的显微硬度约为Ti-6Al-4V合金硬度(320～360HV0.2)的5～6倍，所加载荷为1.5kg时，30分钟的磨损率约为基体的1/5。(3)本专利技术在多主元高熵合金中进一步引入适量的陶瓷相B4C、TiC或TiN，B4C在熔覆过程发生分解与熔池中Ti发生原位反应，生成TiB和TiC等硬质相，而加入的单一的TiC或TiN陶瓷相起到弥散强化的作用，都可以进一步提高多主元高熵合金涂层的硬度，改善高熵合金涂层的性能。Ti-6Al-4V合金经本专利技术在开放的氩气环境下在其表面熔覆TiC增强的TiAlNiSiV高熵合金涂层的显微硬度约为基体硬度(320～360HV0.2)的6～7倍，所加载荷为1.5kg时，磨损测试30分钟的平均磨损率约为基体的1/6～1/7。(4)纳米级的稀土氧化物Y2O3是高熔点化合物，成为异质形核点，提高了形核率，起到细化晶粒的作用。Y2O3在容易在晶界处发生偏聚，阻碍晶界的移动，抑制了晶本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种钛合金表面陶瓷相增强的TiAlNiSiV高熵合金涂层的制备方法，其特征是，包括步骤如下：(1)将钛合金试样表面打磨，清洗；(2)将金属粉末、陶瓷硬质相和稀土氧化物混合均匀，形成熔敷材料粉末，平铺在上述清洗后的钛合金表面；(3)采用激光熔覆制备钛合金涂层；其中，金属粉末为Ti、Ni、Al、Si和V，陶瓷相材料为B4C、TiC或TiN，稀土氧化物为Y2O3。
【技术特征摘要】
1.一种钛合金表面陶瓷相增强的TiAlNiSiV高熵合金涂层的制备方法，其特征是，包括步骤如下：(1)将钛合金试样表面打磨，清洗；(2)将金属粉末、陶瓷硬质相和稀土氧化物混合均匀，形成熔敷材料粉末，平铺在上述清洗后的钛合金表面；(3)采用激光熔覆制备钛合金涂层；其中，金属粉末为Ti、Ni、Al、Si和V，陶瓷相材料为B4C、TiC或TiN，稀土氧化物为Y2O3。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的熔覆材料粉末质量配比为Ti20～50％、Ni25～65％、Al10～30％、Si10～30％、V20～50％、陶瓷相材料0～40％、Y2O30～4％。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的熔覆材料粉末质量配比为Ti21～48％、Ni26～60％、Al11～28％、Si11～28％、V21～28％、陶瓷相材料5～35％、Y2O30.5～3.5％。4....
【专利技术属性】
技术研发人员：张红霞，戴景杰，孙彩霞，
申请(专利权)人：青岛滨海学院，
类型：发明
国别省市：山东,37
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