CN103060797B - 一种等离子熔覆高熵合金涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种等离子熔覆高熵合金涂层的制备方法，属于涂层技术领域。将基材前处理，按照Cr：5-35at.%；Co：5-35at.%；Fe：5-35at.%；Mn：5-35at.%；Ni：5-35at.%；Cu：5-35at.%，选取金属粉末，并加入造渣剂，造渣剂的组成：金红石：50-100wt.%；萤石：0-25wt.%；云母：0-25wt.%，混合均匀；采用等离子喷焊设备制备涂层。本发明工序安排合理，实施简便，成本适中，具有可推广价值。制备的涂层与基材的结合强度高，表面质量优异，综合力学性能稳定，持久耐用。
Description
技术领域
本发明涉及多主元高熵合金材料领域，具体涉及一种等离子熔覆高熵合金涂层的制备方法，属于涂层技术领域。
背景技术
传统合金的设计没有脱离以1种或者2种元素作为主要组元，再通过添加其他元素来改进合金组织性能的方法。人类依此观念配制了不同合金，如不锈钢、铝合金、Ti-Al二元基金属间化合物以及近些年兴起的非晶合金。另外，传统合金的发展经验告诉我们，虽然可以通过添加特定的少量合金元素来改善合金性能，但合金元素种类过多会导致很多化合物尤其是脆性金属间化合物的出现，从而导致合金性能的恶化，如变脆，此外，也给材料的组织和成分分析带来很大困难。
多主元高熵合金是一种全新的合金设计理念，在多主元高熵合金中，其组元数定义在5～13之间，每种组元的原子百分含量在5％～35％之间。也就是说该种合金是由多种元素集体领导而表现其特色的。对合金的研究表明，因为合金中的金属元素多，原子排布的混乱度大，高混合熵效应促进了元素间的混合，使得合金相组成趋于简单的体心立方或者面心立方结构，或者二者的混合结构，并且抑制脆性的金属间化合物的形成。高熵合金具有十分优异的力学性能，例如具有高硬度、抗高温软化、耐高温氧化、耐腐蚀和高电阻率等特性，具有应用广泛，应用潜力多元化的优势。
目前高熵合金的制备方法主要采用真空电弧炉熔铸法，本发明提供了一种全新的制备高熵合金的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用等离子熔覆技术制备高熵合金涂层的方法，获得性能优异的高熵合金涂层。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案。
一种等离子熔覆高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)基材前处理，基材优选用低碳钢，基材前处理包括去除氧化物和表面清洗；其中，去除氧化物采用车削、打磨等机械方法，直至露出金属光泽；表面清洗可以用金属洗净剂、氢氧化钠等热碱液以及汽油、丙酮等有机溶剂进行清洗。
b)准备原料，高熵合金的成分为：Cr：5-35at.％；Co：5-35at.％；Fe：5-35at.％；Mn：5-35at.％；Ni：5-35at.％；Cu：5-35at.％，原料选取相应元素的金属粉末，然后在合金粉末中加入适量的造渣剂，造渣剂加入量为金属粉末的5-15wt.％；造渣剂的组成为：金红石：50-100wt.％；萤石：0-25wt.％；云母：0-25wt.％。
c)混粉，将步骤b)中的原料混合均匀，优选采用VH-5型V型混料机混粉，转速设定为20-30r/min，混粉时间为1-2h，以保证混合完全均匀；
d)制备高熵合金涂层，采用等离子喷焊设备制备涂层的工艺参数为：非转移弧电压：18-21V；非转移弧电流：58-63A；转移弧电压：29-32V；转移弧电流：100-130A；送粉电压：4.0-5.5V；离子气：200-350L/h；送粉气：300-600L/h；保护气：360-450L/h；喷焊速度：25-30mm/min；焊枪摆幅：15-25mm；喷距：10-15mm。
本发明优选造渣剂的组包括金红石、萤石和云母三种物质。步骤b)中所用原料的纯度要求在99％以上，颗粒度在80目-300目之间。
本发明优选，所述的步骤d)中，所述离子气、保护气、送粉气均为氩气。为了减少基材对高熵合金涂层的影响，采用相同的工艺参数，重复熔覆过程，使熔覆层达到4层以上，涂层厚度达到8-10mm，以避免基材对涂层的影响。
本发明最主要的特点是造渣剂的加入，由于液态高熵合金的表面张力过大，与基材的润湿角角很大，无法很好的在基材表面发生联生结晶，成型不佳。造渣剂可以降低液态熔滴的表面张力，并且熔覆结束后会在熔覆层表面形成渣壳，不在熔覆层中残留。造渣剂即改善了成型，又不影响涂层成分。
本发明揭示了一种等离子熔覆高熵合金涂层的制备方法，该方法工序安排合理，实施简便，成本适中，具有可推广价值。制备的涂层与基材的结合强度高，表面质量优异，综合力学性能稳定，持久耐用。
附图说明
图1是本发明实施例中等离子熔覆高熵合金制备方法的工序步骤图；
图2是实施例2中CrCoCuFeMnNi高熵合金涂层金相照片；
(a)金相低倍照片 (b)金相高倍照片
图3是实施例2中CrCoCuFeMnNi高熵合金涂层XRD图谱；
图4是实施例2中CrCoCuFeMnNi高熵合金涂层SEM照片；
(a)SEM低倍 (b)SEM高倍。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明的较佳实施例进行详细的阐述，以使本发明的优点和特征能易于被本领域技术人员理解，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
本发明提及的等离子熔覆高熵合金涂层的制备方法的具体制备过程如下：
a)基材前处理，首先，将低碳钢板切割成厚度为10mm，宽度为100mm，长度为2000mm的板材；然后，用铣床对碳钢板表面进行切削，去掉氧化层，直至裸露出金属光泽；接着，对碳钢板进行脱脂清洗，脱脂剂主要成分为氢氧化钾，并使用有机络合剂作为清洗助剂，清洗时温度控制在25℃左右，清洗完毕后用清水冲洗；最后用酒精擦拭钢板表面并烘干，备用。
b)准备原料，制备CrCoFeMnNiCu0.5高熵合金，原料选取相应元素的金属粉末，并在合金粉末中加入10wt.％的造渣剂。造渣剂成分为：金红石：60wt.％；萤石：20wt.％；云母：20wt.％。精确称量所需要的粉末，粉末的纯度在99％以上，颗粒度在80目-300目之间，合金粉末成分如下:
表1 合金成分质量
c)混粉，将精确称重的各种粉末，依次装入VH-5型V型混粉机中，转速设定为30r/min，混粉1-2h，以保证混粉均匀。
d)制备高熵合金涂层。将混合均匀的合金粉末装入送粉器中，采用等离子喷焊设备进行熔覆操作。所用的保护气、离子气和送粉气均为氩气，具体工艺参数为：非转移弧电压：18V；非转移弧电流：60A；转移弧电压：29V；转移弧电流：120A；送粉电压：5.5V；离子气：330L/h；送粉气：600L/h；保护气：400L/h；喷焊速度：30mm/min；焊枪摆幅：15mm；喷距：12mm。采用相同的工艺参数，重复熔覆过程，使熔覆层达到4层以上，涂层厚度达到8-10mm，以避免基材对涂层的影响。
实施例2
本发明提及的等离子熔覆高熵合金涂层的制备方法的具体制备过程如下：
a)基材前处理，首先，将低碳钢切割成厚度为10mm，宽度为100mm，长度为2000mm的板材；然后，用铣床对碳钢板表面进行切削，去掉氧化层，直至裸露出金属光泽；接着，对碳钢板进行脱脂清洗，脱脂剂主要成分为氢氧化钾，并使用有机络合剂作为清洗助剂，清洗时温度控制在25℃左右，清洗完毕后用清水冲洗；最后用酒精擦拭钢板表面并烘干，备用。
b)准备原料，制备CrCoFeMnNiCu高熵合金，原料选取相应元素的金属粉末，并在合金粉末中加入10wt.％的造渣剂。造渣剂成分为：金红石：70wt.％；萤石：15wt.％；云母：15wt.％。精确称量所需要的粉末，粉末的纯度在99％以上，颗粒度在80目-300目之间，合金粉末成分如下:
表2 合金成分质量
c)混粉，将精确称重的各种粉末，依次装入VH-5型V型混粉机中，转速设定为30r/min，混粉1-2h，以保证混粉均匀。
d)制备高熵合金涂层。将混合均匀的合金粉末装入送粉器中，采用等离子喷焊设备进行熔覆操作。所用的保护气、离子气和送粉气均为氩气，具体工艺参数为：非转移弧电压：18V；非转移弧电流：58A；转移弧电压：29V；转移弧电流：110A；送粉电压：5V；离子气：250L/h；送粉气：500L/h；保护气：360L/h；喷焊速度：28mm/min；焊枪摆幅：20mm；喷距：13mm。采用相同的工艺参数，重复熔覆过程，使熔覆层达到4层以上，涂层厚度达到8-10mm，以避免基材对涂层的影响。
实施例3
本发明提及的等离子熔覆高熵合金涂层的制备方法的具体制备过程如下：
a)基材前处理，首先，将低碳钢切割成厚度为10mm，宽度为100mm，长度为2000mm的板材；然后，用铣床对碳钢板表面进行切削，去掉氧化层，直至裸露出金属光泽；接着，对碳钢板进行脱脂清洗，脱脂剂主要成分为氢氧化钾，并使用有机络合剂作为清洗助剂，清洗时温度控制在25℃左右，清洗完毕后用清水冲洗；最后用酒精擦拭钢板表面并烘干，备用。
b)准备原料，制备Cr1.2CoFeMnNiCu高熵合金，原料选取相应元素的金属粉末，并在合金粉末中加入15wt.％的造渣剂。造渣剂成分为：金红石：80wt.％；萤石：10wt.％；云母：10wt.％。精确称量所需要的粉末，粉末的纯度在99％以上，颗粒度在80目-300目之间，合金粉末成分如下:
表3 合金成分质量
c)混粉，将精确称重的各种粉末，依次装入VH-5型V型混料机中，转速设定为30r/min，混粉1-2h，以保证混粉均匀。
d)制备高熵合金涂层。将混合均匀的合金粉末装入送粉器中，采用等离子喷焊设备进行熔覆操作。所用的保护气、离子气和送粉气均为氩气，具体工艺参数为：非转移弧电压：18V；非转移弧电流：58A；转移弧电压：29V；转移弧电流：100A；送粉电压：4.5V；离子气：280L/h；送粉气：450L/h；保护气：360L/h；喷焊速度：25mm/min；焊枪摆幅：18mm；喷距：15mm。采用相同的工艺参数，重复熔覆过程，使熔覆层达到4层以上，涂层厚度达到8-10mm，以避免基材对涂层的影响。
实施例4
本发明提及的等离子熔覆高熵合金涂层的制备方法的具体制备过程如下：
a)基材前处理，首先，将低碳钢切割成厚度为10mm，宽度为100mm，长度为2000mm的板材；然后，用铣床对碳钢板表面进行切削，去掉氧化层，直至裸露出金属光泽；接着，对碳钢板进行脱脂清洗，脱脂剂主要成分为氢氧化钾，并使用有机络合剂作为清洗助剂，清洗时温度控制在25℃左右，清洗完毕后用清水冲洗；最后用酒精擦拭钢板表面并烘干，备用。
b)准备原料，制备CrCo1.2Fe1.5MnNiCu高熵合金，原料选取相应元素的金属粉末，并在合金粉末中加入15wt.％的造渣剂。造渣剂成分为：金红石。精确称量所需要的粉末，粉末的纯度在99％以上，颗粒度在80目-300目之间，合金粉末成分如下:
表4 合金成分质量
c)混粉，将精确称重的各种粉末，依次装入VH-5型V型混粉机中，转速设定为30r/min，混粉1-2h，以保证混粉均匀。
d)制备高熵合金涂层。将混合均匀的合金粉末装入送粉器中，采用等离子喷焊设备进行熔覆操作。所用的保护气、离子气和送粉气均为氩气，具体工艺参数为：非转移弧电压：18V；非转移弧电流：58A；转移弧电压：29V；转移弧电流：115A；送粉电压：5.3V；离子气：300L/h；送粉气：550L/h；保护气：400L/h；喷焊速度：30mm/min；焊枪摆幅：20mm；喷距：10mm。采用相同的工艺参数，重复熔覆过程，使熔覆层达到4层以上，涂层厚度达到8-10mm，以避免基材对涂层的影响。
以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此本发明的保护范围以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种等离子熔覆高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：a)基材前处理，基材选用低碳钢，基材前处理包括去除氧化物和表面清洗；其中，去除氧化物采用车削、打磨的机械方法，直至露出金属光泽；表面清洗用金属洗净剂进行清洗；
b)准备原料，高熵合金的成分为：Cr：5-35at.％；Co：5-35at.％；Fe：5-35at.％；Mn：5-35at.％；Ni：5-35at.％；Cu：5-35at.％，原料选取相应元素的金属粉末，然后在合金粉末中加入适量的造渣剂，造渣剂加入量为金属粉末的5-15wt.％；造渣剂的组成为：金红石：50-100wt.％；萤石：0-25wt.％；云母：0-25wt.％；
c)混粉，将步骤b)中的原料混合均匀，采用VH-5型V型混料机混粉，转速设定为20-30r/min，混粉时间为1-2h，以保证混合完全均匀；
d)制备高熵合金涂层，采用等离子喷焊设备制备涂层的工艺参数为：非转移弧电压：18-21V；非转移弧电流：58-63A；转移弧电压：29-32V；转移弧电流：100-130A；送粉电压：4.0-5.5V；离子气：200-350L/h；送粉气：300-600L/h；保护气：360-450L/h；喷焊速度：25-30mm/min；焊枪摆幅：15-25mm；喷距：10-15mm。
2.按照权利要求1所述的一种等离子熔覆高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，造渣剂的组份为金红石、萤石和云母三种物质。
3.按照权利要求1所述的一种等离子熔覆高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，步骤b)中所用原料的纯度要求在99％以上，颗粒度在80目～300目之间。
4.按照权利要求1的方法，其特征在于，所述的步骤d)中，所述离子气、保护气、送粉气均为氩气。
5.按照权利要求1所述的一种等离子熔覆高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，采用相同的喷涂工艺参数，重复熔覆过程，使熔覆层达到4层以上，涂层厚度达到8-10mm。
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