成分可调控的高耐蚀高强度高熵值合金涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种成分可调控的高耐蚀高强度高熵值合金涂层及其制备方法；对Al、Cr、Mn、Ni、Fe、Co、Ti、Cu、V等常用于制备高熵合金的元素，选取其中的4

【技术实现步骤摘要】
成分可调控的高耐蚀高强度高熵值合金涂层及其制备方法


[0001]本专利技术涉及金属的等离子表面改性领域，具体是指成分可调控的高耐蚀高强度高熵值合金涂层及其制备方法。

技术介绍

[0002]结构钢是工业领域极其重要且运用广泛的材料，但其往往受到服役地点环境的影响，如摩擦、腐蚀、高温等因素导致其结构失效，从而不得不更换新的钢材，造成极大的资源浪费。尤其是随着社会的发展，人们对深海、高原、外太空等非常规的地区进行深入的探索开发，这就要求材料的抗辐射、抗氧化、抗腐蚀、耐高温、组织稳定性好等性能进一步提升，以满足延长钢结构服役时间以及特殊领域的应用要求。
[0003]合金化仍是提高钢材的硬度、耐腐蚀性等性能的主要途径之一。然而，多量的合金元素添加可能导致合金中复杂脆性相的生成，降低合金力学性能。与传统以单元素为基础的合金不同，高熵合金含有多个主元元素(一般为5
‑
13种)，每个主元都占有一定比例(常为5％
‑
35％摩尔分数)。由于独特的成分构成，该类合金的混合熵很高，因而该类合金不仅不会形成复杂的金属间化合物，反而其晶体结构趋于形成简单固溶体，并且多组元的协同作用亦使得各主元元素优势全部凸显，因此高熵合金表现比传统合金更高的强度、硬度、耐磨性、耐腐蚀性等，使其在机械制造、交通运输、海洋工程等重要工程领域具有广阔的发展潜力和应用前景。高熵合金优于传统合金的性能使得加工块状高熵合金更加费时费力，并且增加零件制造成本而且造成资源的浪费，而将高熵合金以涂层的形式制备在某些工件表面，不仅可以提升工件的使用性能，并且可以节约高熵合金资源。高熵合金涂层因其优良的性能在旋转传动零件表面耐磨改性、海洋工程装备表面抗腐蚀改性与破损零件修复再制造等领域具有广阔的应用场景。
[0004]目前，在高熵合金涂层制备方法中运用最多的为磁控溅射、电化学沉积、激光熔覆技术以及等离子熔覆技术。磁控溅射和电化学沉积制备的涂层过薄，仅在微米级，难以在苛刻的环境中长时间工作；而激光熔覆技术制备的涂层虽然达到毫米级，但该技术对工作环境要求高，并且设备复杂、制备成本高，难以大规模应用。
[0005]等离子熔覆技术是金属表面强化和再制造工程的重要手段之一，其与激光熔覆技术同样具有极高的能量密度，快的凝固速度和冷却速度，但其相比激光熔覆技术设备成本低、操作简单、对工作环境要求低，此外还有具有熔覆率高、粉末利用率高、基体稀释率低、可熔覆材料广及工艺可控性好等特点，更有希望实现大规模使用。由于熔覆时基体的稀释作用会使涂层实际成分与设计成分有较大出入，甚至会让涂层的混合熵降低，因此利用基体的稀释作用，在设计时根据基体的成分、熔覆时工艺参数的控制，在目标涂层的成分上可减少某些主元的含量，从而达到调控涂层成分、降低成本，提高金属材料的性能，延长工作时间之目的。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的为：提供一种通过改变工艺参数和基体材料，使得高熵合金涂层化学成分可控制，达到制备出高硬度、耐腐蚀性良好的高熵值的合金涂层，本专利技术的方法在熔覆粉末中少添加或不添加基体中存在的元素，利用等离子熔覆过程中基体材料熔化带来的稀释作用将基体中的元素添加到高熵合金涂层中，从而实现等离子熔覆原位合成高熵合金涂层的制备。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术提供的技术方案为：一种高耐蚀高强度成分可调控的高熵值合金涂层的制备方法，具体包括以下步骤：
[0008]从常用于制备高熵合金的元素中选取4
‑
5种元素构成Me
Ⅳ‑Ⅴ
，设计高熵值合金涂层，按照摩尔比称取各元素金属粉末，并球磨混合均匀，形成用于熔覆的粉末；
[0009]基体材料表面通过机械、物理等方式清洗干净；
[0010]氩气保护条件下，利用等离子熔覆技术通过基体材料的稀释作用在基体表面原位合成Me
Ⅳ‑Ⅴ
Fe
x
C
y
高熵值涂层。
[0011]进一步的，所述步骤(1)中用于组成Me
Ⅳ‑Ⅴ
的金属粉末摩尔比根据不同设计选择不同摩尔比包括但不限于等比例。
[0012]进一步的，所述步骤(1)中各粉末纯度大于等于99.9％，粒度范围为70μm
‑
100μm。
[0013]进一步的，所述步骤(1)中采用行星式球磨机研磨混合4h左右，球磨机的转速400r/min左右，形成用于熔覆的粉末；
[0014]进一步的，其特征在于：所述步骤(2)中基体材料为一般为结构钢。
[0015]本专利技术的另一目的在于提供所述高耐蚀高强度高熵值的合金涂层的制备方法，在保证涂层质量，避免涂层出现裂纹、明显的气孔等缺陷的同时在基体表面能够制备大面积的涂层，因此通过具体实验提出一种可用于保护金属表面的等离子熔覆高耐蚀高强度高熵值的合金涂层的具体工艺参数，包括以下步骤：
[0016]步骤1：将基材打磨去除氧化层和油污；
[0017]步骤2：用高压气体清理等离子熔覆设备送粉管道，将制备的用于熔覆的粉末放入等离子熔覆设备储粉罐中。
[0018]步骤3：将基体放置于等离子熔覆设备工作台，通过等离子熔覆在基体表面制备高熵合金涂层。
[0019]进一步的，在步骤1中，所述基体进行砂纸打磨除锈、除油污等处理手段；所述砂纸采用400#和1000#砂纸依次对基体表面进行打磨。
[0020]进一步的，在步骤3中，所述涂层的制备工艺过程参数为：喷涂距离40～70mm，喷枪移动速度5～8mm/s，熔覆电流为133A；送粉量17g/min；离子气4L/min；保护气4L/min；转移弧电压40V；摆动幅度为9mm；摆频为53c/min；喷涂角度90
°
，涂层厚度1
‑
3mm。
[0021]进一步的，所述等离子熔覆原位合成高熵值合金涂层为Me
Ⅳ‑Ⅴ
Fe
x
C
y
系高熵值合金涂层，各元素摩尔比根据使用性能需求确定，C元素和部分Fe元素由基体稀释作用提供，通过修改等离子熔覆加工参数以及选择不同基体控制，预制熔覆粉末只含Me
Ⅳ‑Ⅴ
元素。
[0022]本专利技术与现有技术相比的优点在于：1、本专利技术提供一种可调控成分的高耐蚀高强度高熵值合金涂层，本专利技术在熔覆需要的各元素粉末中少加或不添加基体材料中的存在的元素，涂层中C元素和部分Fe元素通过基体的稀释作用获得；同时，本专利技术原位合成的Me
Ⅳ‑Ⅴ
Fe
x
C
y
高熵合金涂层，通过控制熔覆工艺参数控制高熵合金涂层中Fe、C元素的含量，可以在制备高熵合金涂层熔覆原料时少添加或不添加基体存在的元素，降低高熵合金涂层原料的成本，并有望解决常规熔覆实际涂层成分与原始设计的涂层成分偏离的问题，同时通过引入基体的Fe含量抑制枝晶形成的机会，保证涂层单一的相结构，而引入的C元素则通过间隙固溶体的形式而不是渗碳体的形式加入涂层，保证结构单一的同时进一步本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种成分可调控的高耐蚀高强度高熵值合金涂层的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：(1)从常用于制备高熵合金的元素中选取4
‑
5种元素构成Me
Ⅳ‑Ⅴ
，设计高熵值合金涂层，按照摩尔比称取各元素金属粉末，并球磨混合均匀，形成用于熔覆的粉末；(2)基体材料表面通过机械、物理等方式清洗干净；(3)氩气保护条件下，利用等离子熔覆技术通过基体材料的稀释作用在基体表面原位合成Me
Ⅳ‑Ⅴ
Fe
x
C
y
高熵值涂层。2.根据权利要求1所述的一种成分可调控的高耐蚀高强度高熵值合金涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中Me
Ⅳ‑Ⅴ
金属粉末根据不同设计选择不同摩尔比包括但不限于等比例称取粉末。3.根据权利要求1所述的一种成分可调控的高耐蚀高强度高熵值合金涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中各元素粉末纯度大于等于99.9％，粒度范围为70μm
‑
100μm。4.根据权利要求1所述的一种成分可调控的高耐蚀高强度高熵值合金涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中采用行星式球磨机研磨混合4h左右，球磨机的转速400r/min左右，形成高熵合金粉末。5.根据权利要求1所述的一种成分可调控的高耐蚀高强度高熵值合金涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中基体材料为结构钢；步骤(1)中采用Al，Ni...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟永强，王兴涛，王建江，
申请(专利权)人：河北科技大学，
类型：发明
国别省市：