CN107299342A - 一种高熵合金涂层及其制备方法和用途 - Google Patents

一种高熵合金涂层及其制备方法和用途 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高熵合金涂层及其制备方法和用途，该涂层是由Fe、Co、Cr、Ni、Si、Al、Ti按摩尔比1:1:1:1:1:(0.5～1.5):(0～1)组成，其制备方法包括以下步骤：按所述摩尔比将各元素粉末装入球磨机中，在高纯氩气保护下，球磨5～10小时混合均匀；将混合均匀的元素粉末用粘结剂调成糊状，然后均匀涂覆于基材表面，烘干；将带有预置粉末的基材放在激光设备工作台上，实施熔覆工艺，在基材表面形成高熵合金涂层。本发明制备的高熵合金涂层具有体心立方(BCC)相结构的固溶体组织，具有硬度高(硬度约在650‑950HV0.2之间)及良好的耐磨损、耐热、耐腐蚀性能。

Description

一种高熵合金涂层及其制备方法和用途
技术领域
本发明属于金属材料表面改性领域，具体涉及一种金属合金涂层，特别涉及一种高熵合金涂层及其制备方法和用途。
背景技术
传统的金属合金一般为一元或二元合金，即以一种或两种元素作为主要组元，再通过添加其他元素来改善材料的组织和性能，如钢铁、铝合金、钛合金、镁合金、铜合金等。传统合金中组元过多倾向于形成结构复杂的金属间化合物和其他复杂相组织，往往导致合金性能的恶化而限制了传统合金体系的发展与实际生产应用。
高熵合金是一种新型合金，2004年由台湾科学家叶均蔚等研究者提出，高熵合金采用五种或者更多的元素为主要组元，各元素摩尔比接近，各组元的含量在5～35％之间。由于高熵合金的混合熵很大，抑制了金属间化合物的形成，可得到简单的体心立方(BCC)或面心立方(FCC)晶体相结构。这种独特的单相固溶体组织结构，有利于保持合金的高韧性，并可以赋予高熵合金优良的耐磨、耐腐蚀、耐高温以及抗高温氧化等优异性能，这使高熵合金具有多方面的应用潜力。
激光熔覆(Laser Cladding)是一种新型表面改性技术，通过在被熔覆基体表面上放置涂覆材料经高能量密度激光束照射使之及基体表面同时熔化，并快速凝固形成与基体冶金结合的表面涂层，可显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等性能。将高熵合金引入材料表面领域，将其优异性能用于材料表面改性，具有十分重要的现实意义。
发明内容
本发明的首要目的在于提供一种高熵合金涂层，通过合金元素的合理选择使高熵合金涂层具有高硬度，良好的耐磨性及耐热、耐腐蚀性能。
本发明的另一目的在于提供上述高熵合金涂层的激光熔覆制备方法，获得良好的熔覆层质量。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种高熵合金涂层，是由Fe、Co、Cr、Ni、Si、Al、Ti按摩尔比1:1:1:1:1:(0.5～1.5):(0～1)组成。
上述高熵合金涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)按所述摩尔比将各元素粉末装入球磨机中，在高纯氩气保护下，球磨5～10小时混合均匀；将所用基材表面打磨光滑，并用酒精或丙酮溶液清洗其表面；将混合均匀的元素粉末用粘结剂调成糊状，然后均匀涂覆于基材表面，形成一层厚度为400μm～1mm的预置粉末，然后烘干；
步骤(1)所述的各元素粉末，其纯度大于99％，粒径为2～30μm；
所述的基材优选中碳钢或模具钢；
所述的中碳钢优选45#钢；
所述的模具钢优选Cr12、H13；
步骤(1)中，元素粉末与粘结剂的体积比为1:2～1:5；
所述的粘结剂为虫胶树脂乙醇溶液，其中虫胶树脂与乙醇溶液的体积比为1:3；
(2)将带有预置粉末的基材放在激光设备工作台上，使用Ar气作为保护气体，侧吹流量为10～20L/min；激光设备工艺参数为：输出功率1～5kW，光斑直径1～5mm，搭接率为40％，离焦量为0mm，扫描速度100～500mm/min；实施熔覆工艺，在基材表面形成高熵合金涂层；
在步骤(2)操作进行前，优选对带有预置粉末的基材进行预热，预热温度为200～300℃，预热1～2h；
在步骤(2)的操作完成后，优选对形成的高熵合金涂层进行后续热处理，后续热处理为在200～400℃下保温1～2h。
本发明的高熵合金涂层可以提高钢铁零部件或模具的表面硬度，使其具有耐磨损、抗氧化、抗腐蚀性能，可以用于钢铁零部件和模具的修复和表面防护。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1、本发明选取Fe、Co、Cr、Ni、Si、Al、Ti七种合金元素作为组分，通过激光熔覆方法制备的高熵合金涂层具有体心立方结构(bcc)单相固溶体组织，具有硬度高及良好的耐磨损、耐热、耐腐蚀等性能。
2、本发明制备的高熵合金熔覆层中，Si的加入有利于脱氧，提高自熔性，改善熔覆质量及通过晶格畸变的强化效应而提高耐磨性；Al有利于提高熔覆层的抗高温氧化性能及抗高温氧化能力；Al、Ti可明显提高高熵合金的硬度，通过调整Al、Ti的含量，可实现涂层硬度在650～950HV0.2范围可调；这主要是由于Al和Ti均为BCC形成元素，有利于增加合金中BCC组织含量，且BCC组织有较高的硬度，较大原子半径的Al和Ti在合金中增加了晶格畸变效应而产生较好的固熔强化和弥散强化作用。高熵合金熔覆层硬度的提高有利于提高耐磨性。
3、本发明采用激光熔覆的方法制备高熵合金涂层，借助于激光的快速加热熔化和钢铁基体的吸热作用快速冷却，可减少成分偏析，有助于获得成分、组织均匀的高熵合金涂层；而且激光熔覆工艺简单，可促进高熵合金在表面工程领域的应用。
附图说明
图1为本发明激光溶覆高熵合金熔覆层的XRD相分析图谱。
图2为本发明激光溶覆高熵合金熔覆层横截面的金相组织。
图3为本发明激光溶覆高熵合金熔覆层横截面显微硬度分布曲线。
图4为本发明激光溶覆高熵合金熔覆层磨损量及摩擦因数。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种FeCoCrNiSiAl0.5Ti0.2高熵合金涂层，制备工艺如下：
(1)选配粒径在2～30μm，纯度不低于99.9％的Fe、Co、Cr、Ni、Si、Al、Ti粉末，按照摩尔比Fe:Co:Cr:Ni:Si:Al:Ti＝1:1:1:1:1:0.5:0.2称重并混合，将混合粉装入球磨机中，在高纯氩气保护下，球磨5小时并混合均匀。
(2)选取45#钢基材及进行表面预处理，采用线切割方法切取尺寸，尺寸50mm×40mm×8mm(长×宽×厚)，用砂纸打磨去除其表面的氧化膜，酒精清洗后烘干。
(3)将各元素混合粉末与虫胶树脂乙醇溶液(虫胶树脂与乙醇体积比为1:3)混合调成糊状均匀涂覆在热作模具钢表面，形成一层预置粉末，厚度为400μm，在烘干箱中烘干；
(4)对涂敷粉末预置层的热作模具钢进行250℃预热；
(5)预热后试样放在激光设备工作台上进行激光熔覆处理，调节激光参数为：输出功率1kW，光斑直径2mm，搭接率为40％，离焦量为0mm，扫描速度100mm/min；使用Ar气作为保护气体，侧吹流量选择为15L/min；形成FeCoCrNiSiAl0.5Ti0.2高熵合金涂层。
(6)激光熔覆后，对涂层进行后续热处理，250℃保温1h。
(7)经测试，涂层主要为体心立方结构(bcc)单相固溶体(见图1、图2)，涂层晶粒组织细化且均匀致密(见图2)；涂层硬度较高，显微硬度达为690HV0.2(见图3)；采用M-2000型磨损试验机测定其耐磨性，对磨环为外径50mm45钢(淬火回火后硬度48HRC)，试样尺寸为7×7×25mm，摩擦工况为干磨滑动摩擦，施加载荷为300N，对磨环转速为180r/min，转动行程为1000转，用电子称测量磨损失重，可见熔覆层的耐磨性优于模具钢H13钢，激光熔覆涂层具有良好的耐磨性能(见图4)。
实施例2
一种FeCoCrNiSiAlTi0.5高熵合金涂层，制备工艺如下：
(1)选配粒径在2～30μm，纯度不低于99.9％的Fe、Co、Cr、Ni、Si、Al、Ti粉末，按照摩尔比Fe:Co:Cr:Ni:Si:Al:Ti＝1:1:1:1:1:1:0.5称重并混合，将混合粉装入球磨机中，在高纯氩气保护下，球磨8小时并混合均匀。
(2)选取45#钢基材及进行表面预处理，采用线切割方法切取尺寸，尺寸50mm×40mm×8mm(长×宽×厚)，用砂纸打磨去除其表面的氧化膜，酒精清洗后烘干。
(3)将混合粉末与虫胶树脂乙醇溶液(虫胶树脂与乙醇体积比为1:3)混合调成糊状均匀涂覆在热作模具钢表面，形成一层预置粉末，厚度为400μm，在烘干箱中烘干；
(4)对涂敷粉末预置层的热作模具钢进行200～300℃预热；
(5)预热后试样放在激光设备工作台上进行激光熔覆处理，调节激光参数为：输出功率1kW，光斑直径2mm，搭接率为45％，离焦量为0mm，扫描速度100mm/min；使用Ar气作为保护气体，侧吹流量选择为15L/min；
(6)激光熔覆后，对试样进行后续热处理，250℃保温1h。
(7)激光熔覆涂层为FeCoCrNiSiAlTi0.5高熵合金涂层。经测试，涂层主要为体心立方结构(bcc)单相固溶体(见图1、图2)，涂层晶粒组织细化且均匀致密(见图2)；涂层硬度较高，显微硬度达为810HV0.2(见图3)；采用M-2000型磨损试验机测定其耐磨性，对磨环为外径50mm45钢(淬火回火后硬度48HRC)，试样尺寸为7×7×30mm，摩擦工况为干磨滑动摩擦，施加载荷为300N，对磨环转速为180r/min，转动行程为1000转，用电子称测量磨损失重，可见熔覆层的耐磨性优于模具钢H13钢，激光熔覆涂层具有良好的耐磨性能(见图4)。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高熵合金涂层，其特征在于是由Fe、Co、Cr、Ni、Si、Al、Ti按摩尔比1:1:1:1:1:(0.5～1.5):(0～1)组成。
2.权利要求1所述高熵合金涂层的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)按所述摩尔比将各元素粉末装入球磨机中，在高纯氩气保护下，球磨5～10小时混合均匀；将所用基材表面打磨光滑，并清洗干净；将混合均匀的元素粉末用粘结剂调成糊状，然后均匀涂覆于基材表面，形成一层厚度为400μm～1mm的预置粉末，然后烘干；
所述的粘结剂为虫胶树脂乙醇溶液；
(2)将带有预置粉末的基材放在激光设备工作台上，使用Ar气作为保护气体，侧吹流量为10～20L/min；激光设备工艺参数为：输出功率1～5kW，光斑直径1～5mm，搭接率为40％，离焦量为0mm，扫描速度100～500mm/min；实施熔覆工艺，在基材表面形成高熵合金涂层。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述的各元素粉末，其纯度大于99％，粒径为2～30μm。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述的基材是中碳钢或模具钢。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述的中碳钢是45#钢。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述的模具钢是Cr12、H13。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：
步骤(1)中，元素粉末与粘结剂的体积比为1:2～1:5；
所述的粘结剂中，虫胶树脂与乙醇溶液的体积比为1:3。
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：在步骤(2)操作进行前，要对带有预置粉末的基材进行预热，预热温度为200～300℃，预热1～2h。
9.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：在步骤(2)的操作完成后，要对形成的高熵合金涂层进行后续热处理，后续热处理为在200～400℃下保温1～2h。
10.权利要求1所述的高熵合金涂层在钢铁零部件和模具的修复和表面防护中的应用。
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