一种表面含有高熵合金涂层的复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种表面含有高熵合金涂层的复合材料及其制备方法，属于表面复合材料技术领域。本发明专利技术的表面含有高熵合金涂层的复合材料的制备方法，包括以下步骤：先将涂覆液涂敷在消失模模型的表面，干燥，得到带涂层模型；然后采用带涂层模型对钢液进行消失模铸造。本发明专利技术的表面含有高熵合金涂层的复合材料的制备方法工艺简单，生产周期短，成本低。钢液在进行消失模铸造时，消失模模型表面的金属粉可与钢液中铁元素发生冶金反应，在钢液冷却后形成的基体表面原位形成FeCoCrNi系高熵合金涂层，涂层与基体间具有良好的冶金结合，高熵合金涂层与基体间不易产生裂纹。与基体间不易产生裂纹。与基体间不易产生裂纹。

【技术实现步骤摘要】
一种表面含有高熵合金涂层的复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种表面含有高熵合金涂层的复合材料及其制备方法，属于表面复合材料


技术介绍

[0002]传统合金一般由一种作为主元素的金属元素和含量较少的合金元素组成。添加合金元素的目的主要是满足合金对某些特殊性能的要求。然而，囿于传统设计理念，传统合金的结构和性能受限于主元素，因此，主元素的基本属性为合金的性能改善设置了一道天花板。可以通过加入特殊合金元素来改善合金的性能。例如，高铬铸铁是常见的金属耐磨材料之一，其高耐磨性能主要是由于基体中存在大量的Cr7C3碳化物。为了进一步提高高铬铸铁的耐磨性，可以加入价格较高的Ti、Ni、Mo、V等合金元素，但是这种方法往往会增加成本。为了降低成本，可以采用多种技术在钢铁表面形成一层耐磨合金层，例如通过自熔增材技术，即铸渗法，将含碳高铬合金粉末涂覆在钢铁表面，形成高铬铸铁自熔增材层。由于自熔增材层基体通常为硬度较低的奥氏体或者铁素体，为了提高自熔增材层的耐磨性，制备涂层所用的合金粉末中往往需要含有大量碳或者铬。因而，制备的涂层中会形成大量碳化物。这些碳化物会造成涂层的韧性大幅降低，使涂层在磨损工况下易产生裂纹而失效。
[0003]与此同时，人们也开发了具有特殊性能的合金，例如，高熵合金。高熵合金具有高熵效应，可形成结构简单，稳定的固溶体结构(无金属间化合物)，高熵合金的相数远远低于平衡相律所预测的相数，这些特点使高熵合金表现出不同于传统合金的良好性能，选择合适的元素组分，可制备出各种具有高强度，高硬度，高耐磨性，耐高温软化等优异性能的合金。由于高熵合金中通常存在大量的昂贵的元素，例如钴，因而制得的高熵合金块体的价格较高，且对于一些对于尺寸要求较高的零件，由于磨损而使尺寸改变，进而引起零件整体失效，造成浪费。
[0004]因而，可以在一些价格较低的合金表面制备高熵合金涂层，可以减少成本和资源。高熵合金涂层的制备方法主要有磁控溅射、激光熔覆、热喷涂、堆焊等。磁控溅射技术具有基体升温慢、涂层沉积快且形成的涂层结构致密的优点。采用磁控溅射法制备的高熵合金涂层可以在短时间内呈现非晶结构，而其缺点则在于只能形成纳米或微米级别的薄膜，且涂层与基体的结合强度不高，制备工艺较为复杂。激光熔覆法具有快速融化及快速凝固的特点，所得涂层与基体间为冶金结合，结合强度高，对基体材料影响小，但存在设备成本过高、涂层容易产生裂纹等缺点。热喷涂技术具有设备简单、操作工艺方便、成本低等优点，但也同时存在涂层与基体结合强度低、涂层内部不均匀等缺点。通过堆焊法制备的高熵合金层往往与基体间易产生裂纹。
[0005]较厚的高熵合金涂层一定程度上可以增加工件的使用寿命，但是，采用上述工艺在钢基表面制备高熵合金涂层时存在一些问题。磁控溅射和热喷涂在钢基表面制备的涂层均较薄。激光熔覆和堆焊技术虽然可以获得毫米级的高熵合金涂层，但是由于在钢基表面制备涂层时工件表面局部受热而出现较大热应力的原因，高熵合金涂层与基体间易产生裂
纹。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种表面含有高熵合金涂层的复合材料的制备方法，用于解决目前在钢基表面制备厚度较大的高熵合金涂层时，高熵合金涂层与基体间易产生裂纹的问题。
[0007]本专利技术的另一个目的在于提供一种表面含有高熵合金涂层的复合材料。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术的表面含有高熵合金涂层的复合材料的制备方法所采用的技术方案为：
[0009]一种表面含有高熵合金涂层的复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0010]1)将涂覆液涂敷在消失模模型的表面，干燥，得到带涂层模型；所述涂覆液主要由金属粉和粘结剂组成；所述金属粉主要由钴元素、铬元素、镍元素和锰元素组成；所述钴元素、铬元素、镍元素和锰元素的摩尔比为(5～35):(5～35):(5～35):(5～35)；
[0011]2)然后采用带涂层模型对钢液进行消失模铸造。
[0012]本专利技术的表面含有高熵合金涂层的复合材料的制备方法工艺简单，生产周期短，成本低。钢液在进行消失模铸造时，消失模模型表面的金属粉可与钢液中铁元素发生冶金反应，在钢液冷却后形成的基体表面原位形成FeCoCrNi系高熵合金涂层，涂层与基体间具有良好的冶金结合，高熵合金涂层与基体间不易产生裂纹。
[0013]进一步优选地，所述钴元素、铬元素、镍元素和锰元素的摩尔比为(20～26):(28～35):(24～27):(26～29)。
[0014]优选地，所述金属粉由钴粉、铬粉、镍粉和锰粉组成。
[0015]优选地，所述钴粉、铬粉、镍粉和锰粉的质量比为(20～25):(25～30):(24～26):(24～26)。进一步优选地，所述钴粉、铬粉、镍粉和锰粉的质量比为(20～25):(25～30):(24.5～26):(24～25.5)。
[0016]优选地，所述钴粉、铬粉、镍粉或锰粉的平均粒度为40～80目。例如，钴粉的平均粒度可以为40目、50目、60目、65目、70目或80目；铬粉的平均粒度可以为40目、50目、60目、65目、70目或80目；镍粉的平均粒度可以为40目、50目、60目、65目、70目或80目；锰粉的平均粒度可以为40目、50目、60目、65目、70目或80目。进一步优选地，所述钴粉、铬粉、镍粉或锰粉的平均粒度均为60目。
[0017]为了得到成分均匀的金属粉，可以采用球磨机对钴粉、铬粉、镍粉和锰粉进行混合，优选地，所述金属粉的平均粒度为40～80目。例如，金属粉的平均粒度可以为40目、50目、60目、65目、70目或80目。如果金属粉的平均粒度大于80目，则粉末间空隙过小，不利于钢液的渗入；如果金属粉的平均粒度小于40目，则不利于渗入的钢液熔化金属粉。因此，与其他工艺相比，本专利技术的表面含有高熵合金涂层的复合材料的制备方法对粉末的粒径和形状要求较低，制造成本较低。
[0018]优选地，所述涂覆液在消失模模型表面的涂敷厚度为4～8mm。涂覆液在消失模模具表面的涂敷厚度为4～8mm时，得到的涂层与基体可以更好地结合。如果涂敷厚度太薄，无法在基体表面形成较厚的高熵合金涂层；如果涂覆厚度过大，由于自身重力作用，浇注过程中在复合前由于涂覆液中的黏结剂在高温下快速挥发，造成涂覆层易脱落。
[0019]优选地，消失模铸造过程中，钢液浇铸时的温度为1630～1680℃。钢液的温度过高，基体和涂层中的晶粒较大；钢液的温度过低，不利于金属粉末的熔化。
[0020]钢液中的碳可以渗入涂层中，C原子易与强碳化物元素Cr原位形成碳化物，可提高涂层的力学性能和耐磨性。但是碳含量过高时，钢基体韧性较差。优选地，所述钢液中碳元素的质量分数不大于0.65％。
[0021]进一步优选地，所述钢液中碳元素的质量分数为0.27～0.65％。
[0022]优选地，所述粘结剂为有机粘结剂。优选地，所述有机粘结剂为酚醛树脂和/或聚乙烯醇缩丁醛。采用酚醛树脂和/或聚乙烯醇缩丁醛作为粘结剂，可以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种表面含有高熵合金涂层的复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将涂覆液涂敷在消失模模型的表面，干燥，得到带涂层模型；所述涂覆液主要由金属粉和粘结剂组成；所述金属粉主要由钴元素、铬元素、镍元素和锰元素组成；所述钴元素、铬元素、镍元素和锰元素的摩尔比为(5～35):(5～35):(5～35):(5～35)；2)然后采用带涂层模型对钢液进行消失模铸造。2.如权利要求1所述的表面含有高熵合金涂层的复合材料的制备方法，其特征在于，所述金属粉由钴粉、铬粉、镍粉和锰粉组成；所述钴粉、铬粉、镍粉和锰粉的质量比为(20～25):(25～30):(24～26):(24～26)。3.如权利要求1或2所述的表面含有高熵合金涂层的复合材料的制备方法，其特征在于，所述金属粉的平均粒度为40～80目。4.如权利要求1或2所述的表面含有高熵合金涂层的复合材料的制备方法，其特征在于，所述涂覆液在消失模模型表...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈冲，魏世忠，王涛，熊美，张程，张国赏，毛丰，游龙，王长记，江涛，徐流杰，王晓东，潘昆明，李秀青，周玉成，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：发明
国别省市：