CN105624515A - 一种高熵合金涂层材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高熵合金涂层材料及其制备方法，按重量份数计算，该高熵合金涂层材料由铁5~20份、钨5~20份、铬5~20份、硼5~20份、钴5~20份、镍5~20份和钼5~20份混合制成，本发明所提供的高熵合金粉末性能均一，稳定，可用于中低碳钢表面，经过激光熔覆后，在基体钢表面形成的无孔洞和裂纹与基材结合良好的高熵合金涂层，而且所形成的涂层具有很高的硬度、耐磨性强，耐腐蚀及耐高温氧化等特点，可以用于比如腐蚀很强的特殊环境环境中。

Description

一种高熵合金涂层材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高熵合金涂层材料及其制备方法，属于表面工程中的材料增材制造技术领域。

背景技术

传统意义上的合金，一般都含有一种主要元素，同时添加其他微量合金元素，以提高合金的某种性能，因为根据热力学和动力学知识，当合金中的主元增多时，合金中会出现大量的金属间化合物，从而使得材料变脆。1995年高熵合金的提出，开辟了新的合金领域，高熵合金中包含五种及五种以上合金元素，每种元素的原子百分比在5%-20%之间，完全突破了传统意义上合金设计理念，通过对高熵合金的研究发现，并非像理论研究那样出现复杂的金属间化合物，而主要形成了简单结构的单一相，性能优异。

目前，高熵合金的制备主要是通过熔炼铸造的方法获得，需要大量的的纯金属粉末，成本较高，不利用工业大量的生产，传统热喷涂涂层不仅裂纹，而且存在空洞，结合程度低，表面性能差，所以现有的技术并不完善。

发明内容

本发明一种高熵合金涂层材料，按重量份数计算，该高熵合金涂层材料由铁5~20份、钨5~20份、铬5~20份、硼5~20份、钴5~20份、镍5~20份和钼5~20份混合制成。

所述的高熵合金涂层材料中的各组合金粉末金属纯度在99%以上，颗粒度为100~300目。

一种如权利要求1所述高熵合金涂层材料的制备方法，按下述步骤进行制备：

步骤1）基体前处理：选择基体为中低碳钢，首先使用打磨机，除去基体表面的氧化物，并用砂纸磨平表面；然后选择金属清洗剂或者丙酮酒精等有机溶剂，清洗基体表面；

步骤2）粉末的研磨及混合：配置好高熵合金涂层材料，选择全方位行星式球磨机，将高熵合金涂层材料倒入全方位行星式球磨机内，设定转速为150r/min，时间为2~4小时，使得制备高熵合金涂层的材料混合均匀；

步骤3）粘接剂配制：分别选择酒精，聚醋酸乙烯酯，膨润土，稀土氧化物Y₂O₃并按质量百分比90~95%、4~6%、1.5~2%、0.5~1%进行配制粘接剂；

步骤4）涂层预置：将制备高熵合金涂层的材料粉末与粘接剂按质量比（9~15）:（1~4）进行混合，然后涂覆在步骤1中经过处理的基体表面，并在室温下干燥；

步骤5）激光熔覆：对步骤4中的预置涂层进行激光熔覆，选择工艺参数为：功率P=3.0~4.0KW，扫描速度V=180~240mm/min，光斑尺寸2~6mm，搭接率w=30%。

步骤3）粘接剂配制要在以上质量范围之内，从而保障粘接质量。

步骤4）中粘接剂的用量会直接影响涂层的质量，粘接剂过多，激光熔覆后，可能在涂层中出现空洞，粘接剂过少，则粘接效果不好。

步骤5）中选择的工艺参数需要与涂层材料相匹配，恰当的工艺参数能防止涂层的过烧或者熔解不充分现象。

本发明在成分设计上也充分考虑了金属元素的特性，比如选择Fe主要是为了使得涂层与基体结合良好，添加B则是为了提高合金涂层与基体的润湿性，使其容易冶金结合，加入原子半径较大的W和Mo，及电负性相差不大，原子半径相对较小的Co、Cr、Ni，主要是考虑到高熵合金的晶格畸变效应，从而提高涂层的力学性能。

通过大量实验的摸索，确定了激光增材制造最佳工艺参数：功率P=3.8kw,扫描速度V=240mm/min,光斑尺寸3.5mm,搭接率w=30%，在此工艺下进行激光熔覆，涂层与基体能实现冶金结合，涂层均匀，且无裂纹，空洞等缺陷。

本发明所提供的高熵合金粉末性能均一，稳定，可用于中低碳钢表面，经过激光熔覆后，在基体钢表面形成的无孔洞和裂纹与基材结合良好的高熵合金涂层，而且所形成的涂层具有很高的硬度、耐磨性强，耐腐蚀及耐高温氧化等特点，可以用于比如腐蚀很强的特殊环境环境中。

附图说明

图1为本发明实施例中激光增材制造高熵合金涂层材料的工艺流程图；

图2为本发明实例2中高熵合金FeWCrBCoNiMo涂层的金相组织图；（a）低倍（b）高倍

图3为本发明实例2中高熵合金WCrBCoNiMo涂层XRD图；

图4为本发明实例2中高熵合金WCrBCoNiMo涂层与基体Q235钢的摩擦系数对比图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明是按分组实验进行制作，具体实验如下：

实施例1），基体前处理，选择Q235钢作为基体，使用打磨机，除去基体表面的氧化物，并用砂纸磨平表面，直到出现金属光泽为宜；然后选择金属清洗剂或者丙酮酒精等有机溶剂，清洗基体表面，最后烘干表面备用。

高熵合金涂层材料的合金粉末配制，选择纯度为99%以上的纯金属，颗粒度为100目，并按照下表，准确称量所需粉末。

粉末的研磨及混合，选择PMQW系列全方位行星式球磨机，设定转速为150r/min，时间为2小时，使得的合金混合均匀。

粘接剂配制，分别选择酒精，聚醋酸乙烯酯，膨润土，稀土氧化物Y₂O₃并按质量百分比92%、6%、1.5%、0.5%进行配制粘接剂。

涂层预置，将高熵合金涂层材料的合金粉末配制中的粉末与（粘接剂按质量比10:1进行混合，然后涂覆在步骤1中经过处理的基体表面，并在室温下干燥。

激光熔覆，对预置涂层进行激光熔覆，选择工艺参数为：功率P=3.8kw，扫描速度V=240mm/min，光斑尺寸3.5mm,搭接率w=30%

实施例2：基体前处理，选择Q235钢作为基体，使用打磨机，除去基体表面的氧化物，并用砂纸磨平表面，直到出现金属光泽为宜；然后选择金属清洗剂或者丙酮酒精等有机溶剂，清洗基体表面。最后烘干表面备用。

高熵合金涂层材料的合金粉末配制，选择纯度为99%以上的纯金属，颗粒度为200目，并按照下表，准确称量所需粉末。

粉末的研磨及混合，选择PMQW系列全方位行星式球磨机，设定转速为150r/min，时间为4小时，使得的合金混合均匀。

粘接剂配制，分别选择酒精，聚醋酸乙烯酯，膨润土，稀土氧化物Y₂O₃并按质量百分比70%、20%、8%、4%进行配制粘接剂。

涂层预置，将高熵合金涂层材料的合金粉末配制中的粉末与（粘接剂按质量比10:1进行混合，然后涂覆在步骤1中经过处理的基体表面，并在室温下干燥。

激光熔覆，对的预置涂层进行激光熔覆，选择工艺参数为：功率P=3.8kw，扫描速度V=240mm/min，光斑尺寸3.5mm,搭接率w=30%

实施例3：基体前处理，选择Q235钢作为基体，使用打磨机，除去基体表面的氧化物，并用砂纸磨平表面，直到出现金属光泽为宜；然后选择金属清洗剂或者丙酮酒精等有机溶剂，清洗基体表面。最后烘干表面备用。

高熵合金涂层材料的合金粉末配制，选择纯度为99%以上的纯金属，颗粒度为200，并按照下表，准确称量所需粉末。

粉末的研磨及混合，选择PMQW系列全方位行星式球磨机，设定转速为150r/min，时间为3小时，使得的合金混合均匀。

粘接剂配制，分别选择酒精，聚醋酸乙烯酯，膨润土，稀土氧化物Y2O3并按质量百分比70%、20%、8%、4%进行配制粘接剂。

涂层预置，将高熵合金涂层材料的合金粉末配制中的粉末与（粘接剂按质量比10:1进行混合，然后涂覆在步骤1中经过处理的基体表面，并在室温下干燥。

激光熔覆，对预置涂层进行激光熔覆，选择工艺参数为：功率P=3.8kw，扫描速度V=240mm/min，光斑尺寸3.5mm,搭接率w=30%。

Claims (3)

1.一种高熵合金涂层材料，其特征在于：按重量份数计算，该高熵合金涂层材料由铁5~20份、钨5~20份、铬5~20份、硼5~20份、钴5~20份、镍5~20份和钼5~20份混合制成。

2.根据权利要求1所述的高熵合金涂层材料，其特征在于：所述的高熵合金涂层材料中的各组合金粉末金属纯度在99%以上，颗粒度为100~300目。

3.一种如权利要求1所述高熵合金涂层材料的制备方法，其特征在于：按下述步骤进行制备：

步骤1）基体前处理：选择基体为中低碳钢，首先使用打磨机，除去基体表面的氧化物，并用砂纸磨平表面；然后选择金属清洗剂或者丙酮酒精等有机溶剂，清洗基体表面；

步骤2）粉末的研磨及混合：配置好高熵合金涂层材料，选择全方位行星式球磨机，将高熵合金涂层材料倒入全方位行星式球磨机内，设定转速为150r/min，时间为2~4小时，使得制备高熵合金涂层的材料混合均匀；

步骤3）粘接剂配制：分别选择酒精，聚醋酸乙烯酯，膨润土，稀土氧化物Y2O3并按质量百分比90~95%、4~6%、1.5~2%、0.5~1%进行配制粘接剂；

步骤4）涂层预置：将制备高熵合金涂层的材料粉末与粘接剂按质量比（9~15）:（1~4）进行混合，然后涂覆在步骤1中经过处理的基体表面，并在室温下干燥；

步骤5）激光熔覆：对步骤4中的预置涂层进行激光熔覆，选择工艺参数为：功率P=3.0~4.0KW，扫描速度V=180~240mm/min，光斑尺寸2~6mm，搭接率w=30%。