CN103911578A - 一种高硬度bcc高熵合金涂层的制备方法 - Google Patents

一种高硬度bcc高熵合金涂层的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种高硬度的BCC高熵合金涂层的制备方法，属于涂层技术领域。按照Al1.5CoCrFeNiTix的成分比例选取相应元素的金属粉末，x的取值范围为0.4‐0.6；Al元素的加入形式为质量比为64%的纯铝粉和36%的镍包铝粉，且镍包铝粉中Al元素含量为20wt.%；并加入5‐10wt.%的造渣剂，其中造渣剂成分为：金红石：68wt.%；石英：15wt.%；萤石：17wt.%；将混合均匀的合金粉末装入送粉器中，采用粉末等离子喷焊设备进行熔覆。本发明通过Al和Ti的组合加入制备出了硬度达到700HV的高熵合金涂层。

Description

一种高硬度BCC高熵合金涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及一种高硬度的BCC高熵合金涂层的制备方法，采用粉末等离子熔覆技术制备，属于涂层技术领域。
背景技术
高熵合金就是5种或5种以上主要元素按等摩尔比或近等摩尔比经熔炼、烧结或其他方法组合而成具有金属特性的材料，其中每种元素的原子分数介于5%-35%之间。与传统合金设计理念不同，多主元高熵合金凝固后不会形成金属间化合物等复杂的显微结构，反而会形成简单的体心立方或面心立方相，同时合金中通常还有纳米析出物与非晶质结构等。将具有较高硬度及耐磨性的高熵合金涂层与材料表面改性技术相结合，可以有效发挥高熵合金的应用潜力。相信通过粉末等离子熔覆技术制备的这种高硬度的BCC高熵合金涂层会有广泛的工程应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种高硬度的BCC高熵合金涂层的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案。
一种高硬度的BCC高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，按照Al1.5CoCrFeNiTix的成分比例选取相应元素的金属粉末，其中Al、Co、Cr、Fe、Ni、Ti的摩尔比为：1.5:1:1:1:1：x，x的取值范围为0.4-0.6；Al元素的加入形式为质量比为64%的纯铝粉和36%的镍包铝粉，且镍包铝粉中Al元素含量为20wt.%；
并在金属粉末中加入是金属粉末和造渣剂质量总和的5-10wt.%的造渣剂，其中造渣剂成分为：金红石：68wt.%；石英：15wt.%；萤石：17wt.%；
然后，将各种粉末混合均匀；
最后，将混合均匀的合金粉末装入送粉器中，采用粉末等离子喷焊设备进行熔覆；熔覆时用惰性气体氩气进行保护，具体工艺参数为：非转移弧电流：9-11A；转移弧电流：110-120A；离子气：280-320L/h；送粉气：300-380L/h；保护气：300-350L/h；喷焊速度：34mm/min；焊枪摆幅：14-15mm；喷距：7-10mm；涂层厚度达到5-8mm。
所述高硬度的BCC高熵合金涂层中Al的过度形式为64%的纯铝粉和36%的镍包铝粉，镍包铝粉中Al元素含量为20wt.%，加入镍包铝粉可以降低Al元素的烧损，且可以改善成形。
制备所述高硬度的BCC高熵合金涂层时需在合金粉末中加入5-10wt.%的造渣剂，造渣剂组成包括金红石、石英和萤石,比例依次为：68%，15%，17%。Al元素的熔点低，熔池凝固时容易形成固液共存态，影响成型，加入造渣剂可以稀释熔池，增加熔池流动性，改善成型。
所述高硬度的BCC高熵合金涂层制备所用材料纯度均为99.5%，颗粒度在50-200目。
所述高硬度的BCC高熵合金涂层硬度可达700HV，比部分碳化物增强的高熵合金涂层硬度还要高。
本发明的主要特点是：Al和Ti的组合加入制备出了硬度较高的高熵合金，这是因为Al和Ti均为BCC形成元素，可以使合金中BCC组织数目增多，而BCC组织有较高的硬度；而且，Al和Ti的原子半径都较大，在合金中可以起到很好的固熔强化和弥散强化的作用；Ti还是强碳化物形成元素，可以与C结合形成TiC有效地阻碍位错运动，从而导致位错塞积及位错缠结，起到颗粒增强的作用，使得涂层的硬度得到有效的提高。极大的发挥了高熵合金的潜力，并且使高熵合金这一新兴的材料应用于表面改性领域变成了可能，可用于制备满足不同工况的高熵合金涂层。
附图说明
图1是实施例2中Al1.5CoCrFeNiTi0.4涂层金相组织；
具体实施方式
本发明结合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
一种BCC高熵合金涂层，其成分为Al1.5CoCrFeNiTi0.4，采用粉末等离子熔覆技术制备上述高熵合金涂层，按以下步骤进行：
首先，找一块长度2000mm、宽度100mm和厚度10mm的低碳钢板，用砂纸打磨，直到露出光亮的金属表面，并用酒精擦拭钢板表面，烘干，备用。
其次，按照Al1.5CoCrFeNiTi0.4的成分比例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：68wt.%；石英：15wt.%；萤石：17wt.%。精确称量所需要的粉末，粉末的纯度在99.5%以上，颗粒度在50目-200目之间。合金粉末成分如下表1所示：
表1合金原材料质量分数（wt.%）
然后，将精确称重的各种粉末，依次装入混粉机中混粉以保证粉末混合均匀。
最后，将混合均匀的合金粉末装入送粉器中，采用粉末等离子喷焊设备进行熔覆。熔覆时用惰性气体氩气进行保护，具体工艺参数为：非转移弧电流：10A；转移弧电流：118A；离子气：300L/h；送粉气：350L/h；保护气：300L/h；喷焊速度：34mm/min；焊枪摆幅：14mm；喷距：10mm。采用相同的工艺参数，重复熔覆过程，使熔覆层达到3层，涂层厚度达到5-8mm，以降低基材对涂层的影响。
实施例2
一种BCC高熵合金涂层，其成分为Al1.5CoCrFeNiTi0.5，采用等离子熔覆的方法制备上述高熵合金涂层，按以下步骤进行：
首先，找一块长度2000mm、宽度100mm和厚度10mm的低碳钢板，用砂纸打磨，直到露出光亮的金属表面，并用酒精擦拭钢板表面，烘干，备用。
其次，按照Al1.5CoCrFeNiTi0.5的成分比例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：68wt.%；石英：15wt.%；萤石：17wt.%。精确称量所需要的粉末，粉末的纯度在99.5%以上，颗粒度在50目-200目之间。合金粉末成分如下表2所示：
表2合金原材料质量分数（wt.%）
然后，将精确称重的各种粉末，依次装入混粉机中混粉以保证粉末混合均匀。
最后，将混合均匀的合金粉末装入送粉器中，采用粉末等离子喷焊设备进行熔覆。熔覆时用惰性气体氩气进行保护，具体工艺参数为：非转移弧电流：10A；转移弧电流：118A；离子气：300L/h；送粉气：350L/h；保护气：300L/h；喷焊速度：34mm/min；焊枪摆幅：15mm；喷距：8mm。采用相同的工艺参数，重复熔覆过程，使熔覆层达到3层，涂层厚度达到5-8mm，以降低基材对涂层的影响。
实施例3
一种BCC高熵合金涂层，其成分为Al1.5CoCrFeNiTi0.6，采用等离子熔覆的方法制备上述高熵合金涂层，按以下步骤进行：
首先，找一块长度2000mm、宽度100mm和厚度10mm的低碳钢板，用砂纸打磨，直到露出光亮的金属表面，并用酒精擦拭钢板表面，烘干，备用。
其次，按照Al1.5CoCrFeNiTi0.6的成分比例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：68wt.%；石英：15wt.%；萤石：17wt.%。精确称量所需要的粉末，粉末的纯度在99.5%以上，颗粒度在50目-200目之间。合金粉末成分如下表3所示：
表3合金原材料质量分数（wt.%）
然后，将精确称重的各种粉末，依次装入混粉机中混粉以保证粉末混合均匀。
最后，将混合均匀的合金粉末装入送粉器中，采用粉末等离子喷焊设备进行熔覆。熔覆时用惰性气体氩气进行保护，具体工艺参数为：非转移弧电流：10A；转移弧电流：118A；离子气：300L/h；送粉气：350L/h；保护气：300L/h；喷焊速度：34mm/min；焊枪摆幅：15mm；喷距：7mm。采用相同的工艺参数，重复熔覆过程，使熔覆层达到3层，涂层厚度达到5-8mm，以降低基材对涂层的影响。
实施例1-3中所制备的BCC高熵合金涂层硬度检测如下叙述：
采用HXD-1000数字显微硬度计对涂层进行维氏硬度测试，实验用载荷为500gf，载荷保压时间为10S，最后结果取5次测量平均值，以保证测量的准确性。试样制备方法如下：采用线切割沿熔覆层的横截面截取15mm×15mm×10mm试样，然后将试样的表面依次经200#、400#、600#，800#、1000#耐水砂纸磨制，并且进行抛光处理以保证数据的准确性。
表4实施例1-3中涂层显微硬度（HV）
其中，Al1.5CoCrFeNi等离子熔覆涂层的名义成分如表5所示：
表5Al1.5CoCrFeNi合金成分质量分数（wt.%）

Claims (2)

1.一种高硬度的BCC高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，按照Al1.5CoCrFeNiTix的成分比例选取相应元素的金属粉末，其中Al、Co、Cr、Fe、Ni、Ti的摩尔比为：1.5:1:1:1:1：x，x的取值范围为0.4-0.6；Al元素的加入形式为质量比为64%的纯铝粉和36%的镍包铝粉，且镍包铝粉中Al元素含量为20wt.%；
并在金属粉末中加入是金属粉末和造渣剂质量总和的5-10wt.%的造渣剂，其中造渣剂成分为：金红石：68wt.%；石英：15wt.%；萤石：17wt.%；
然后，将各种粉末混合均匀；
最后，将混合均匀的合金粉末装入送粉器中，采用粉末等离子喷焊设备进行熔覆；熔覆时用惰性气体氩气进行保护，具体工艺参数为：非转移弧电流：9-11A；转移弧电流：110-120A；离子气：280-320L/h；送粉气：300-380L/h；保护气：300-350L/h；喷焊速度：34mm/min；焊枪摆幅：14-15mm；喷距：7-10mm；涂层厚度达到5-8mm。
2.如权利要求1所述的一种高硬度的BCC高熵合金涂层，其特征在于，制备涂层所用材料纯度均为99.5%，颗粒度在50-200目。
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