CN111188034A - 一种低温性能良好的耐蚀中熵合金激光熔覆涂层制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低温性能良好的耐蚀中熵合金激光熔覆涂层制备方法，涉及金属材料表面改性领域，包括以下步骤：1)中熵合金的成分设计：中熵合金的成分为Cr、Co、Ni，其原子百分比为：Cr20‑50％，Co20‑50％，Ni20‑50％，总的百分比为100％；2)中熵合金的预处理：将中熵合金熔炼后采用雾化的方式得到粉体；3)熔覆基体预处理：将熔覆基体表面打磨光滑，并清洗干净，吹干；4)激光熔覆：采用激光器结合送粉法将中熵合金熔于熔覆基体表面，得到中熵合金激光熔覆涂层。本发明制备的中熵合金激光熔覆涂层具有良好的低温力学性能以及耐腐蚀性能，熔覆层冶金质量良好，组织分布均匀，且涉及的元素较少，配置简单，适用性广，使用方便、高效。

Description

一种低温性能良好的耐蚀中熵合金激光熔覆涂层制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料表面改性领域领域，尤其涉及一种低温性能良好的耐蚀中熵合金激光熔覆涂层及其制备方法。
背景技术
传统合金主要以一种或两种元素为主，然后加入其他微量元素以改善合金组织结构及性能，如铁碳合金、铝合金、铜合金等。添加合金元素可以改善合金的强度、韧性、耐腐蚀性能、耐磨性以及电磁学特性等诸多性能指标，使其满足工程需要。但是加入过多的合金元素种类常常会导致体系中生成复杂的脆性非晶态金属间化合物，使得合金性能被恶化，因此，传统合金设计思路一直被局限于单一主元这一模式。
多组元合金是冶金学研究的一种新型合金设计领域，与传统合金不同，多组元合金是由3-6种金属元素等摩尔比或近等摩尔比组成的合金，这为设计具有良好机械性能的新型材料提供了广阔的组成空间。其中，高熵合金和中熵合金在科学界引起了广泛关注，因为它们具有“扩散阻滞”等效应，可以理想的显示简单的组织结构并且性能由排列在单个晶格中的多种元素共同决定，并因此展现出许多特殊性能，如良好的强度和韧性、高温强度、耐磨性、耐腐蚀等。
CrCoNi中熵合金作为最早提出的中熵合金，具有和同为FCC型晶体结构的高熵合金同样优异的低温力学性能，且强韧性匹配较FCC型高熵合金更高。目前，国内专家对此做过大量研究，但多局限于提高性能，制备方法多为铸造，使得中熵合金的应用受到一定限制。中国发明专利CN 108866417 A利用在中熵合金CoCrNi体系中加入Mn元素来提高抗拉强度和延伸率。中国发明专利CN108998714 A.利用真空熔炼面心立方(FCC)单相CoCrNi母合金-真空熔炼体心立方(BCC)单相AlTiNi中间合金，母合金和中间合金重熔吸铸-均匀化退火-时效处理-固溶处理获得FCC+BCC双相中熵合金。
激光熔覆技术是一种新型的表面改性和增材制造技术，利用高能激光束将熔覆材料与基体表层材料同时熔化和冷却凝固，具有精密可控、对基体材料影响小、熔覆层与基体冶金结合牢固等特点，从而广泛应用于科学研究和工业生产中。将中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，可以大大拓展中熵合金在工业领域的应用范围，延长其服役寿命，降低全周期成本。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种低温性能良好的耐蚀中熵合金激光熔覆涂层制备方法，使中熵合金涂层具有良好的低温力学性能以及耐腐蚀性能，熔覆层冶金质量良好，组织分布均匀，且涉及的元素较少，配置简单，适用性广，使用方便、高效。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何制备一种低温性能良好的耐蚀中熵合金涂层，且涉及的元素较少，配置简单，适用性广，涂层与基体结合牢固，制备方法简便、可控。
为实现上述目的，本发明提供了一种低温性能良好的耐蚀的中熵合金激光熔覆涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)、中熵合金的成分设计：所述中熵合金的成分为Cr、Co、Ni，其原子百分比为：Cr20-50％，Co 20-50％，Ni 20-50％，总的百分比为100％；
(2)、所述中熵合金的预处理：将所述中熵合金熔炼后采用雾化的方式得到粉体；
(3)、熔覆基体预处理：将所述熔覆基体表面打磨光滑，并清洗干净，吹干；
(4)、激光熔覆：采用激光器结合送粉法将所述中熵合金熔于所述熔覆基体表面，得到所述中熵合金激光熔覆涂层。
进一步的，步骤(2)中中熵合金的粉体需要烘干和过筛。
进一步的，所述中熵合金粉体的粒径为53-150μm。
进一步的，步骤(4)具体为将所述中熵合金粉体装入激光熔覆送粉装置中，通过送粉法利用保护气作为载粉气吹送到所述熔覆基体表面，经过激光的高温作用，所述中熵合金粉体熔化、冶金结合、凝固后熔覆在所述熔覆基体上形成所述中熵合金激光熔覆涂层。
进一步的，所述激光熔覆中激光的参数为：激光功率为2000-2500W，扫描速度为7-8mm/s，光斑直径为7.4mm。
进一步的，所述激光熔覆送粉过程中氩气保护气流量为10-15L/min，送粉速率为28-32g/min。
进一步的，所述激光熔覆采用多道熔覆的方法，搭接率为20-30％。
进一步的，所述中熵合金激光熔覆涂层为单相FCC结构，硬度为250-300HV。
本发明还提供一种低温性能良好的耐蚀的激光熔覆中熵合金涂层，中熵合金的成分为Cr、Co、Ni，其原子百分比为：Cr 20-50％，Co 20-50％，Ni 20-50％，总的百分比为100％。
进一步的，所述中熵合金激光熔覆涂层为单相FCC结构，硬度为250-300HV，厚度为2.2-2.5mm。
技术效果：
(1)本发明采用激光熔覆的方法制备中熵合金涂层，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，可以减少成分分析，有助于获得成分、组织均匀的中熵合金涂层；而且激光熔覆工艺简单，可促进中熵合金在表面工程领域的应用。
(2)本发明的中熵合金材料中Cr、Co、Ni元素的配比合理，合金结构简单，为单相FCC结构，并且中熵合金具备的“阻滞效应”能延缓甚至阻止熔覆过程中异种材料的扩散，可有效抑制金属间化合物的形成，使得涂层组织均匀致密，缺陷较少。
(3)本发明的中熵合金具有单相FCC结构，FCC系列多组元合金塑性变形能力良好，且具有良好的低温力学性能，其延展性随温度的降低而增强，本发明的中熵合金激光熔覆涂层可在比较宽广的温度范围内应用。
(4)本发明的中熵合金中Cr元素含量较高，表面氧化层中存在一定比例的Cr2O3，使得氧化膜层较为致密且与涂层的结合更为紧密，可提升耐蚀性能，有效保护熔覆基材。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的流程示意图；
图2是本发明的一个较佳实施例的中熵合金的粉体形貌图；
图3是本发明的一个较佳实施例的中熵合金激光熔覆涂层横截面的金相组织；
图4是本发明的一个较佳实施例的中熵合金激光熔覆涂层的XRD分析图谱；
图5是本发明的一个较佳实施例的中熵合金激光熔覆涂层的显微硬度分布曲线；
图6是本发明的一个较佳实施例的中熵合金激光熔覆涂层的低温力学拉伸测试图；
图7是本发明的一个较佳实施例的中熵合金激光熔覆涂层的动电位极化曲线测试图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
实施例一
图1所示为本发明一种低温性能良好的耐蚀中熵合金激光熔覆涂层制备方法的流程示意图，包括以下步骤：1)中熵合金的成分设计；2)中熵合金的预处理；3)熔覆基体预处理；4)激光熔覆制备中熵合金激光熔覆涂层。
本实施例中，其具体制备方法如下：
1)中熵合金激光熔覆涂层的各组分按原子百分比分别为:Cr33％，Co33％，Ni34％；
2)按照上述组分的原子百分比称量、配置原料，将中熵合金材料熔炼后采用雾化的方式得到中熵合金粉体，烘干，过筛后得到53-150μm的粉末，粉末形貌如图2所示。
3)选用的Q235钢板为熔覆基体，基体尺寸为200mm×150mm×20mm，基体表面在熔覆之前用砂轮机打磨，然后用丙酮清洗，吹干。
4)按照激光熔覆参数：扫描速度8mm/s，激光功率2500W，送粉速率28g/min，光斑直径7.4mm来进行熔覆。整个激光熔覆过程在氩气保护下进行，氩气保护气流量为12L/min。采用多道熔覆的方法，搭接率为20％。
对中熵合金激光熔覆涂层进行金相观察、显微硬度测试、低温拉伸测试以及电化学腐蚀测试。
如图3所示为涂层的宏观形貌，经激光熔覆后，得到涂层厚度在2.5mm左右，涂层内无裂纹、气孔、夹杂等缺陷，熔覆层与基体之间结合良好。
如图4所示为涂层的XRD分析图谱，涂层为单相FCC结构。
如图5所示为涂层的硬度，整体大概在250-300HV左右，硬度分布均匀。
如图6所示为涂层的低温力学测试图，屈服强度、抗拉强度以及延伸率整体均随着温度的下降而提高，中熵合金激光熔覆涂层在低温条件下具有良好的力学性能。
如图7所示为涂层的耐蚀性能，在3.5wt％NaCl溶液中，熔覆涂层的腐蚀电流为9.86×10-7μAcm-2，自腐蚀电位为-0.275V(SHE)，在0.5mol/L H2SO4溶液中，熔覆涂层的腐蚀电流为1.29×10-5μAcm-2，自腐蚀电位为0.191V(SHE)，其耐蚀性能良好。在3.5wt％NaCl溶液和0.5mol/L H2SO4溶液中，熔覆层的腐蚀电流均比基体低2-3个数量级，腐蚀电位也明显高于基体，证明其耐蚀性能良好。
实施例二
本实施例中，中熵合金激光熔覆涂层的具体制备方法如下：
1)中熵合金激光熔覆涂层的各组分按原子百分比分别为:Cr33％，Co33％，Ni34％；
2)按照上述组分的原子百分比称量、配置原料，将中熵合金材料熔炼后采用雾化的方式得到中熵合金粉体，烘干，过筛后得到53-150μm的粉末，粉末形貌如图2所示。
3)选用的9Ni钢板为熔覆基体，基体尺寸为200mm×150mm×20mm，基体表面在熔覆之前用砂轮机打磨，然后用丙酮清洗，吹干。
4)按照激光熔覆参数：扫描速度7mm/s，激光功率2500W，送粉速率32g/min，光斑直径7.4mm来进行熔覆。整个激光熔覆过程在氩气保护下进行，氩气保护气流量为15L/min。采用多道熔覆的方法，搭接率为30％。
实施例三
本实施例中，中熵合金激光熔覆涂层的具体制备方法如下：
1)中熵合金激光熔覆涂层的各组分按原子百分比分别为:Cr30％，Co20％，Ni50％；
2)按照上述组分的原子百分比称量、配置原料，将中熵合金材料熔炼后采用雾化的方式得到中熵合金粉体，烘干，过筛后得到53-150μm的粉末。
3)选用的9Ni钢板为熔覆基体，基体尺寸为200mm×150mm×20mm，基体表面在熔覆之前用砂轮机打磨，然后用丙酮清洗，吹干。
4)按照激光熔覆参数：扫描速度7mm/s，激光功率2200W，送粉速率28g/min，光斑直径7.4mm来进行熔覆。整个激光熔覆过程在氩气保护下进行，氩气保护气流量为12L/min。采用多道熔覆的方法，搭接率为30％。
实施例四
本实施例中，中熵合金激光熔覆涂层的具体制备方法如下：
1)中熵合金激光熔覆涂层的各组分按原子百分比分别为:Cr50％，Co20％，Ni30％；
2)按照上述组分的原子百分比称量、配置原料，将中熵合金材料熔炼后采用雾化的方式得到中熵合金粉体，烘干，过筛后得到53-150μm的粉末。
3)选用的9Ni钢板为熔覆基体，基体尺寸为200mm×150mm×20mm，基体表面在熔覆之前用砂轮机打磨，然后用丙酮清洗，吹干。
4)按照激光熔覆参数：扫描速度7mm/s，激光功率2800W，送粉速率30g/min，光斑直径7.4mm来进行熔覆。整个激光熔覆过程在氩气保护下进行，氩气保护气流量为15L/min。采用多道熔覆的方法，搭接率为20％。
实施例五
本实施例中，中熵合金激光熔覆涂层的具体制备方法如下：
1)中熵合金激光熔覆涂层的各组分按原子百分比分别为:Cr30％，Co50％，Ni20％；
2)按照上述组分的原子百分比称量、配置原料，将中熵合金材料熔炼后采用雾化的方式得到中熵合金粉体，烘干，过筛后得到53-150μm的粉末。
3)选用的9Ni钢板为熔覆基体，基体尺寸为200mm×150mm×20mm，基体表面在熔覆之前用砂轮机打磨，然后用丙酮清洗，吹干。
4)按照激光熔覆参数：扫描速度7mm/s，激光功率2200W，送粉速率28g/min，光斑直径7.4mm来进行熔覆。整个激光熔覆过程在氩气保护下进行，氩气保护气流量为12L/min。采用多道熔覆的方法，搭接率为20％。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种低温性能良好的耐蚀的中熵合金激光熔覆涂层的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)、中熵合金的成分设计：所述中熵合金的成分为Cr、Co、Ni，其原子百分比为：Cr20-50％，Co20-50％，Ni20-50％，总的百分比为100％；
(2)、所述中熵合金的预处理：将所述中熵合金熔炼后采用雾化的方式得到粉体；
(3)、熔覆基体预处理：将所述熔覆基体表面打磨光滑，并清洗干净，吹干；
(4)、激光熔覆：采用激光器结合送粉法将所述中熵合金熔于所述熔覆基体表面，得到所述中熵合金激光熔覆涂层。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中中熵合金的粉体需要烘干和过筛。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述中熵合金粉体的粒径为53-150μm。
4.如权利要求1-3任一一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)具体为将所述中熵合金粉体装入激光熔覆送粉装置中，通过送粉法利用保护气作为载粉气吹送到所述熔覆基体表面，经过激光的高温作用，所述中熵合金粉体熔化、冶金结合、凝固后熔覆在所述熔覆基体上形成所述中熵合金激光熔覆涂层。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述激光熔覆中激光的参数为：激光功率为2000-2500W，扫描速度为7-8mm/s，光斑直径为7.4mm。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述激光熔覆送粉过程中氩气保护气流量为10-15L/min，送粉速率为28-32g/min。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述激光熔覆采用多道熔覆的方法，搭接率为20-30％。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述中熵合金激光熔覆涂层为单相FCC结构，硬度为250-300HV。
9.一种低温性能良好的耐蚀的中熵合金激光熔覆涂层，其特征在于，中熵合金的成分为Cr、Co、Ni，其原子百分比为：Cr20-50％，Co20-50％，Ni20-50％，总的百分比为100％。
10.如权利要求9所述的一种低温性能良好的耐蚀的中熵合金激光熔覆涂层，其特征在于，所述中熵合金激光熔覆涂层为单相FCC结构，硬度为250-300HV，厚度为2.2-2.5mm。
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