一种氩弧熔覆高熵合金涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氩弧熔覆高熵合金涂层及其制备方法，涉及合金涂层及其制备技术领域，以Al、Cr、Fe、Co、Cu、Ni金属粉末为原料，采用氩弧熔覆技术在45钢表面制备Al

【技术实现步骤摘要】
一种氩弧熔覆高熵合金涂层及其制备方法


[0001]本专利技术涉及合金涂层及其制备
，尤其涉及一种氩弧熔覆高熵合金涂层及其制备方法。

技术介绍

[0002]断裂、腐蚀和磨损是机械零部件的三种主要失效形式，而由磨损造成的直接或间接经济损失最大。随着现代化工业水平的提高，海工装备的摩擦磨损问题日益严重，造成的经济损失越来越大，世界上的能源消耗50％～60％都来自动力机械设备上，而且能源利用率又较低，仅有30％左右，接近1/3的能源都消耗在了摩擦磨损上，我国工业领域在摩擦磨损方面节约的潜力巨大。所以采用先进的表面改性技术，改善材料的耐磨性能，解决由摩擦磨损带来的能源消耗问题势在必行。
[0003]45钢又称油钢，是一种优质的碳素结构钢，广泛应用于在交变负荷下工作的零部件，如连杆、齿轮、轴类及螺栓等，但是在实际应用中发现，这些零件的表面硬度较低，耐磨性较差，在机械设备工作时，零件的局部常常发生磨损，如齿轮与齿轮之间的磨损、轴与轴套之间发生的滑动磨损、活塞销与连杆的磨损等，因此，如何改善45钢表面硬度，提升45钢的表面耐磨性能十分重要。
[0004]表面熔覆技术具有较强的应用优势，可根据零件的具体需求熔覆低成本的复合材料，获得耐磨涂层；在原有基体材料上熔覆合金涂层，既能发挥表面抗磨损的作用，又能保持基体材料本身的优势，大幅提升材料的整体性能。目前，通常采用激光熔覆对45钢进行表面改性，获得耐磨涂层，但激光熔覆技术设备费用高，操作复杂，一般应用在特殊领域，在实际的工程中应用的较少，然而，氩弧熔覆技术的成本就较低。在技术上激光熔覆和氩弧熔覆的热源不同，激光熔覆是以高密度激光束作为热源，而氩弧熔覆则以钨极电弧作为热源，氩弧熔覆的热源虽然没有激光束高，但是温度足以熔化大多数材料；在工艺上，激光熔覆需将工件打磨干净，除油，除锈，去疲劳层等表面处理，而氩弧熔覆只需将工件打磨干净并用酒精清洗即可；激光熔覆常采用同步送粉法，在熔覆时都基本在水平位置形成熔池，倾斜稍大粉末便不能正常送达，激光的使用范围受到限制，而氩弧熔覆常采用预置粉末法，可对形状复杂的工件进行熔覆。综合比较之后选择氩弧熔覆技术进行熔覆试验。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术选择经济性较好的金属粉末作为本试验的熔覆粉末，这些粉末分别是Al粉、Cr粉、Fe粉、Co粉、Cu粉、Ni粉，利用氩弧熔覆技术在45钢基体表面制备高硬度、高耐磨性的Al
x
CrFeCoCu
y
Ni高熵合金涂层，提高45钢的表面硬度，进而提升45钢的表面耐磨性能，解决磨损问题，提高零部件使用寿命、提高劳动生产效率、增加经济收入，同时对表面熔覆技术的发展及推广具有重要意义；本专利技术的目的是通过下述方案得以实现的：
[0006]一种氩弧熔覆高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0007]S1：对45钢基体材料进行预处理；
[0008]S2：确定主元元素：选择Al、Cr、Fe、Co、Cu、Ni六种元素作为高熵合金涂层的主元元素；
[0009]S3：设计Al
x
CrFeCoCu
y
Ni高熵合金元素的配比，并称取对应元素配比的合金粉末，其中，x＝0～2.5，y＝0～0.6，x、y为摩尔比；
[0010]S4：对合金粉末进行预处理；
[0011]S5：对预处理后的合金粉末进行氩弧熔覆，制备得到Al
x
CrFeCoCu
y
Ni高熵合金涂层。
[0012]进一步的，步骤S4的具体操作包括以下步骤：
[0013]S401：将步骤S3称取的合金元素的混合物粉末充分研磨后，置于培养皿中，加入适量粘结剂充分混合；
[0014]S402：将调和均匀的混合物粉末均匀涂抹在预处理后的基体45钢上，形成粉末预置层；
[0015]S403：待预置层表面稍干后，用玻璃片压实预置粉末，并自然放置24h；
[0016]S404：24h后，将其置于烘干炉中110℃烘干2h，备用。
[0017]进一步的，步骤S5中所述氩弧熔覆的工艺参数包括：熔覆电流为110A，熔覆速度为8mm/s，氩气流量为10L/min，预置粉末厚度为1.2mm，烘干炉加热速率为4℃/min。
[0018]进一步的，如上述的制备方法制备得到的Al
x
CrFeCoCu
y
Ni高熵合金涂层。
[0019]进一步的，所述Al
x
CrFeCoCu
y
Ni高熵合金涂层中Al摩尔比x＝0～2.5，Cu摩尔比y＝0～0.6。
[0020]进一步的，所述Al
x
CrFeCoCu
y
Ni高熵合金涂层中Al摩尔比x＝1.5，Cu摩尔比y＝0.2，即为Al
1.5
CrFeCoCu
0.2
Ni高熵合金涂层。
[0021]进一步的，所述Al
1.5
CrFeCoCu
0.2
Ni高熵合金涂层的显微硬度为750HV
0.5
，较基体提高约4倍；磨损量为3.1mg，较基体提高约13倍。
[0022]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0023]1.利用氩弧熔覆技术在45钢表面制备Al
x
CrFeCoCu
y
Ni高熵合金耐磨涂层，在给定的工艺条件下，制备的涂层无缺陷且涂层与基体呈冶金结合；
[0024]2.研究了氩弧熔覆工艺参数对高熵合金涂层宏观形貌及显微硬度的影响；熔覆电流为110A、熔覆速度为8mm/s、氩气流量为10L/min、预置粉末厚度为1.2mm，烘干炉加热速率为4℃/min，制备的涂层硬度高，表面宏观成形好，内部缺陷少；
[0025]3.本专利技术在CrFeCoCuNi合金体系的基础上改变Al元素，得出最优配比之后再改变Cu元素的含量，逐步改善涂层的耐磨性能。最终获得Al
1.5
CrFeCoCu
0.2
Ni高熵合金涂层，具有最优的综合性能，涂层的显微硬度为750HV
0.5
，较基体提高约4倍；磨损量为3.1mg，较基体提高约13倍，因此，可作为45钢表面氩弧熔覆改性的最优配比。
附图说明
[0026]图1为混合粉末XRD图谱；
[0027]图2为横断面显微硬度分布；
[0028]图3为不同熔覆电流下熔覆后涂层宏观形貌；
[0029]图4为熔覆电流对AlCrFeCoCuNi高熵合金涂层的表面显微硬度的影响；
[0030]图5为不同预置粉末厚度下熔覆后涂层的宏观形貌；
[0031]图6为预置粉末厚度对AlCrFeCoCuNi高熵合金涂层表面显微硬度的影响；
[0032]图7为不同加热速度下烘干后预置粉末涂层表面的宏观形貌；
[0033]图8为Al
1.0
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氩弧熔覆高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：对45钢基体材料进行预处理；S2：确定主元元素：选择Al、Cr、Fe、Co、Cu、Ni六种元素作为高熵合金涂层的主元元素；S3：设计Al
x
CrFeCoCu
y
Ni高熵合金元素的配比，并称取对应元素配比的合金粉末，其中，x＝0～2.5，y＝0～0.6，x、y为摩尔比；S4：对合金粉末进行预处理；S5：对预处理后的合金粉末进行氩弧熔覆，制备得到Al
x
CrFeCoCu
y
Ni高熵合金涂层。2.根据权利要求1所述的一种氩弧熔覆高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，步骤S4的具体操作包括以下步骤：S401：将步骤S3称取的合金元素的混合物粉末充分研磨后，置于培养皿中，加入适量粘结剂充分混合；S402：将调和均匀的混合物粉末均匀涂抹在预处理后的基体45钢上，形成粉末预置层；S403：待预置层表面稍干后，用玻璃片压实预置粉末，并自然放置24h；S404：24h后，将其置于烘干炉中110℃烘干2h，备用。3.根据权利要求2所述的一种氩弧熔覆高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，步骤S5中所述氩弧熔覆的工艺参数包括：熔覆电流为110A，熔覆速度为8mm/s，氩气流量为10L/min，预置粉末厚度为1.2mm，烘干炉加热速率为4℃/...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟君晟，史晓萍，王华奇，丁皓，
申请(专利权)人：山东交通学院，
类型：发明
国别省市：