CN111411319B - 一种等离子熔覆制备氮化物增强高熵合金涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种等离子熔覆制备氮化物增强高熵合金涂层的方法，在低碳钢表面采用等离子束混有8%~12%氮气的氩气保护下加热熔覆一定比例的Ni‑Cr‑B‑Si、Co‑Cr‑B‑Si、Cu、Al、Ti组成的混合粉，其中混合气作保护气和离子气，在熔覆过程中混合气中的氮被电离活化，并与熔池中的Cr、Al、Ti反应形成细小的氮化物，在熔覆过程中由于高熵合金的迟滞效应，初生的Cr7C3具有晶粒细小的特点，最后与氮化物弥散分布于高熵合金，形成了由CrN、AlN、TiN、Cr7C3增强的AlCoCrCuNiTi高熵合金涂层。
Description
技术领域
本发明属于高能束表面处理领域，特别涉及采用等离子熔覆制备耐磨复合涂层的方法。
背景技术
低碳钢是碳含量低于0.25%的碳素钢，其退火组织为铁素体和少量珠光体，具有强度和硬度较低、塑性和韧性较好的特性，它的冷成形性良好，同时还具有良好的焊接性，在石油化工、汽车制造、航空航天、船舶等领域中已经得到了广泛的应用。但低碳钢的硬度较低，耐磨性差，使它的应用受到了一定的限制。通过在其表面熔覆高熵合金涂层，可以提高低碳钢的硬度和耐磨性。高熵合金是由五个以上的组元按照等原子比或接近于等原子比合金化形成的合金，高熵合金会形成固溶体，实现固溶强化，使高熵合金具有一些传统合金所无法比拟的优异机械性能，如高硬度、高韧性、高耐磨耐腐蚀性、高强度等，特别适合于制备涂层，并且通过在高熵合金涂层中增加一些氮化物，如CrN（1750 HV）、AlN（1300 HV）、TiN（2300 HV）等，这些氮化物弥散分布在高熵合金涂层上，更加有利于增强高熵合金涂层的硬度和耐磨性。等离子熔覆是将合金粉末涂覆到低碳钢基体表面，利用等离子束对合金粉末加热熔覆，冷却后形成耐磨涂层。等离子熔覆设备简单，可靠性好，能够节约成本，应用广泛。在熔覆过程中，通过在惰性的Ar气体中混合少量N2，利用氮被电离活化后与熔池中的的Cr、Al、Ti反应，形成氮化物CrN、AlN、TiN，能够更进一步提高涂层的硬度和耐磨性。
发明内容
本发明采用等离子熔覆对低熔点的自熔合金和单质金属粉组成的混合粉进行熔覆，在熔覆过程中可以实现合金化，形成高熵合金，过去多采用单纯的氩气作保护气和电离气，本发明采用添加适量的氮气作工作气体，使混合气中的氮被电离活化后与熔池中的的Cr、Al、Ti反应，形成细小、弥散的氮化物，制备得到氮化物增强的高熵合金涂层，有利于进一步提高涂层的硬度和耐磨性。
本发明所采用的制作方法包括下述工艺步骤：
步骤一、选取要熔覆的低碳钢表面作为基体，对低碳钢基体表面进行预处理，用砂轮或砂纸打磨待熔覆的基体表面去除铁锈和氧化物，用酒精或丙酮清除基体表面的油污。
步骤二、将Ni-Cr-B-Si、Co-Cr-B-Si、Cu、Al、Ti按一定比例组成混合粉，并用球磨机进行球磨混合，所用粉末粒径在40~280 μm，其中Ni-Cr-B-Si成分的质量百分比为Cr:15~18，B:2.5~4.5，Si:3~4.5，C:0.6~1，其余为Ni；Co-Cr-B-Si成分的质量百分比为Cr:15~18，B:2.5~4.5，Si:3~4.5，C:0.6~1，其余为Co；Cu粉、Al粉的纯度均高于99.5%；Ti粉纯度高于99%；混合粉Ni-Cr-B-Si、Co-Cr-B-Si、Cu、Al、Ti的质量百分比为：24~30:24~30:18~26:8~12:8~12。球磨混合工艺：采用钢制球磨罐进行球磨混合，其中的磨球与混合粉质量比为2.4~3.0:1，密封后打开真空阀抽真空20~40分钟，将球磨罐放入行星式球磨机，转速为260~280r/min，倒向频率30~50 Hz，进行球磨混料时间为50~70分钟。
步骤三、将混合粉与压敏胶按1:1.1~1.5重量比例混合制成熔覆粉，并将熔覆粉涂覆到低碳钢基体表面，涂覆厚度为0.7~1.3 cm，宽度为0.8~1 cm，并在120~140 ℃烘干1.5~2 h。
步骤四、采用等离子束对熔覆粉加热进行熔覆，工艺参数设置为：采用混有8%~12%氮气的氩气作保护气及电离气体，熔覆参数电流为100~150 A，工作电压20~50 V，扫描速度为3~6 mm/s，作保护气的混合气流量为0.8~1.4 m3/h，作电离气的混合气流量为0.9~1.5m3/h，喷嘴距待处理表面的距离为0.8~1.2 cm。
本发明的有益效果是：
（1）本发明利用混合气中的氮被电离活化，其能够与熔池中的Cr、Al、Ti反应形成细小、弥散的氮化物，而且由于高熵合金的迟滞扩散效应，初生的Cr7C3晶粒细小，可与氮化物弥散分布于高熵合金，有利于耐磨性的提高，形成了由CrN、AlN、TiN、Cr7C3增强的AlCoCrCuNiTi高熵合金涂层，该涂层硬度高、韧性好、耐磨性好。
（2）本发明采用高熵合金作为耐磨涂层的基体，能够充分利用其特有的扩散速度慢、对成分变化不敏感的特性，使涂层具有更高的韧性、强度、耐磨性。
（3）本发明使用的是原先常用的Ni-Cr-B-Si、Co-Cr-B-Si自熔合金粉，具有熔点低、成分均匀、成本低的优点，且Fe、Ni、Co的互溶性比较好，易于实现合金化。
具体实施方式
实施例1：
步骤一、选取要熔覆的Q255钢表面作为基体，对其表面进行预处理，用砂轮或砂纸打磨待熔覆的基体表面去除铁锈和氧化物，用酒精或丙酮清除基体表面的油污。
步骤二、将Ni-Cr-B-Si、Co-Cr-B-Si、Cu、Al、Ti按一定比例组成混合粉，并用球磨机进行球磨混合，所用粉末粒径为40~280 μm，其中Ni-Cr-B-Si成分的质量百分比为Cr:15~18，B:2.5~4.5，Si:3~4.5，C:0.6~1，其余为Ni；Co-Cr-B-Si成分的质量百分比为Cr:15~18，B:2.5~4.5，Si:3~4.5，C:0.6~1，其余为Co；Cu粉、Al粉的纯度均高于99.5%；Ti粉纯度高于99%；混合粉Ni-Cr-B-Si、Co-Cr-B-Si、Cu、Al、Ti的质量百分比为：26:26:24:12:12。对该混合粉采用钢制球磨罐进行球磨混合，其中的磨球与混合粉质量比为2.4:1，密封后打开真空阀抽真空20分钟，将球磨罐放入行星式球磨机，转速为260 r/min，倒向频率50 Hz，进行球磨混料时间为70分钟。
步骤三、将混合粉与压敏胶按1:1.1重量比例混合制成熔覆粉，将其涂覆到Q255钢基体表面，涂覆厚度为1.3 cm，宽度为0.8 cm，并在140 ℃烘干2 h。
步骤四、采用等离子束对熔覆粉加热进行熔覆，工艺参数设置为：采用混有8% 氮气的氩气作保护气及电离气体，熔覆参数电流为130 A，工作电压50 V，扫描速度为3 mm/s，作保护气的混合气流量为1.4 m3/h，作电离气的混合气流量为1.5 m3/h，喷嘴距待处理表面的距离为1.2 cm。
结果表明，在Q255基体表面形成了由CrN、AlN、TiN、Cr7C3增强的AlCoCrCuNiTi高熵合金涂层，涂层与基体的形成化学冶金结合，其中的增强相较细小，分布基本均匀，涂层的形貌较光滑，基本无气孔、裂纹等缺陷，涂层厚度大约为550 μm，提高耐磨性5.6倍。
实施例2：
步骤一、选取要熔覆的Q195钢表面作为基体，对其基体表面进行预处理，用砂轮或砂纸打磨待熔覆的基体表面去除铁锈和氧化物，用酒精或丙酮清除基体表面的油污。
步骤二、将Ni-Cr-B-Si、Co-Cr-B-Si、Cu、Al、Ti按一定比例组成混合粉，并用球磨机进行球磨混合，所用粉末粒径在40~280 μm，其中Ni-Cr-B-Si成分的质量百分比为Cr:15~18，B:2.5~4.5，Si:3~4.5，C:0.6~1，其余为Ni；Co-Cr-B-Si成分的质量百分比为Cr:15~18，B:2.5~4.5，Si:3~4.5，C:0.6~1，其余为Co；Cu粉、Al粉的纯度均高于99.5%；Ti粉纯度高于99%；混合粉Ni-Cr-B-Si、Co-Cr-B-Si、Cu、Al、Ti的质量百分比为：28:28:24:10:10。对该混合粉采用钢制球磨罐进行球磨混合，其中的磨球与混合粉质量比为2.7:1，密封后打开真空阀抽真空30分钟，将球磨罐放入行星式球磨机，转速为270 r/min，倒向频率40 Hz，进行球磨混料时间为60分钟。
步骤三、将混合粉与压敏胶按1:1.3重量比例混合制成熔覆粉，将其涂覆到Q235钢基体表面，涂覆厚度为1 cm，宽度为0.9 cm，并在130 ℃烘干1.8 h。
步骤四、采用等离子束对熔覆粉加热进行熔覆，工艺参数设置为：采用混有10% 氮气的氩气作为保护气及电离气体，熔覆参数电流为150 A，工作电压35 V，扫描速度为4.5mm/s，作保护气的混合气流量为1 m3/h，作电离气的混合气流量为1.1 m3/h，喷嘴距待处理表面的距离为1 cm。
结果表明，在Q195基体表面形成了由CrN、AlN、TiN、Cr7C3增强的AlCoCrCuNiTi高熵合金涂层，熔覆层与基体材料完全冶金结合，涂层形貌光滑、基本无气孔、裂纹等缺陷，涂层厚度大约为470 μm，提高耐磨性5.3倍。
实施例3：
步骤一、选取要熔覆的Q215钢表面作为基体，对低碳钢基体表面进行预处理，用砂轮或砂纸打磨待熔覆的基体表面去除铁锈和氧化物，用酒精或丙酮清除基体表面的油污。
步骤二、将Ni-Cr-B-Si、Co-Cr-B-Si、Cu、Al、Ti按一定比例组成混合粉，并用球磨机进行球磨混合，所用粉末粒径在40~280 μm，其中Ni-Cr-B-Si成分的质量百分比为Cr:15~18，B:2.5~4.5，Si:3~4.5，C:0.6~1，其余为Ni；Co-Cr-B-Si成分的质量百分比为Cr:15~18，B:2.5~4.5，Si:3~4.5，C:0.6~1，其余为Co；Cu粉、Al粉的纯度均高于99.5%；Ti粉纯度高于99%；混合粉Ni-Cr-B-Si、Co-Cr-B-Si、Cu、Al、Ti的质量百分比为：30:30:22:9:9。对该混合粉采用钢制球磨罐进行球磨混合，其中的磨球与混合粉质量比为3:1，密封后打开真空阀抽真空40分钟，将球磨罐放入行星式球磨机，转速为280 r/min，倒向频率30 Hz，进行球磨混料时间为50分钟。
步骤三、将混合粉与压敏胶按1:1.5重量比例混合制成熔覆粉，将其涂覆到Q215钢基体表面，涂覆厚度为0.7 cm，宽度为1 cm，并在120 ℃烘干1.5 h。
步骤四、采用等离子束对熔覆粉加热进行熔覆，工艺参数设置为：采用混有12% 氮气的氩气作为保护气及电离气体，熔覆参数电流为100 A，工作电压20 V，扫描速度为6 mm/s，作保护气的混合气流量为0.8 m3/h，作电离气的混合气流量为0.9 m3/h，喷嘴距待处理表面的距离为0.8 cm。
结果表明，在Q215钢基体表面形成了由CrN、AlN、TiN、Cr7C3增强的AlCoCrCuNiTi高熵合金涂层，涂层形貌较光滑，基本无气孔、裂纹等缺陷，其稀释率低，熔覆层晶粒度细小，表面硬度高，涂层厚度大约为390 μm，提高耐磨性5.1倍。
Claims (3)
1.一种等离子熔覆制备氮化物增强高熵合金涂层的方法，其特征在于，所述的方法包括下述工艺步骤：
步骤一、选取要熔覆的低碳钢表面作为基体，对低碳钢基体表面进行预处理，用砂轮或砂纸打磨基体表面去除氧化物和铁锈，用酒精或丙酮清除基体表面的油污；
步骤二、将Ni-Cr-B-Si、Co-Cr-B-Si、Cu、Al、Ti按一定比例组成混合粉，并用球磨机进行球磨混合，所用粉末粒径在40~280μm；其中Ni-Cr-B-Si成分的质量百分比为Cr:15~18，B:2.5~4.5，Si:3~4.5，C:0.6~1，其余为Ni；Co-Cr-B-Si成分的质量百分比为Cr:15~18，B:2.5~4.5，Si:3~4.5，C:0.6~1，其余为Co；Cu粉、Al粉的纯度均高于99.5%；Ti粉纯度高于99%；混合粉Ni-Cr-B-Si、Co-Cr-B-Si、Cu、Al、Ti的质量百分比为：24~30:24~30:18~26:8~12:8~12；
步骤三、将混合粉与压敏胶按1:1.1~1.5重量比例混合制成待熔覆粉，将其涂覆到低碳钢基体表面，涂覆厚度为0.7~1.3 cm，宽度为0.8~1 cm，并烘干；
步骤四、采用等离子束对熔覆粉加热进行熔覆，冷却后即为耐磨涂层；熔覆的具体工艺是采用混有8%~12%氮气的氩气作保护气及电离气体，熔覆参数电流为100~150 A，工作电压20~50 V，扫描速度为3~6 mm/s，混合气作保护气的流量为0.8~1.4 m3/h，混合气作电离气的流量为0.9~1.5m3/h，喷嘴距待处理表面的距离为0.8~1.2 cm。
2.根据权利要求1所述的一种等离子熔覆制备氮化物增强高熵合金涂层的方法，其特征在于：所述的球磨混合是采用钢制球磨罐进行球磨混合，其中的磨球与混合粉质量比为2.4~3.0:1，密封后打开真空阀抽真空20~40分钟，将球磨罐放入行星式球磨机，转速为260~280 r/min，倒向频率30~50 Hz，进行球磨混料时间为50~70分钟。
3.根据权利要求1所述的一种等离子熔覆制备氮化物增强高熵合金涂层的方法，其特征在于：所述的烘干工艺为：在120~140 ℃烘干1.5~2 h。
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