CN106011852A - 一种奥氏体不锈钢表面高熵合金涂层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种奥氏体不锈钢表面高熵合金涂层的制备方法，属于金属材料表面改性技术领域。包括下列步骤：将奥氏体不锈钢试片置于氯化钠溶液中，利用电化学测试技术对其进行刻蚀处理，将电化学刻蚀处理好的奥氏体不锈钢工件与金属表面强化处理器电源的阴极连接，成为工件极，再通过夹具将梳子状高熵合金材料与金属表面强化处理器电源的阳极连接，成为加工电极；接通电源，在工件极与加工电极间施加直流电压，在奥氏体不锈钢工件表面以0.5～1.5 cm2/min速率移动加工电极，加工完成后切断电源，使工件冷却到室温。本发明可实现奥氏体不锈钢表面高熵合金涂层的大面积、快速制备，所获得的高熵合金涂层具有良好的耐磨性。

Description

一种奥氏体不锈钢表面高熵合金涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及一种奥氏体不锈钢表面高熵合金涂层的制备方法，属于金属材料表面改性技术领域。
背景技术
奥氏体不锈钢因具有良好的综合力学性能和工艺性能，且在氧化性和还原性介质中均表现出较好的耐蚀性，从而在工业、民用、国防等领域中得到了广泛的应用。目前，奥氏体不锈钢亦是不锈钢中种类最多、使用量最大的一种钢材，其生产量和使用量约占不锈钢总产量及使用量的一半以上。但是，受表面硬度低、摩擦系数大、耐磨性差等缺点的制约，其更广泛地使用受到限制，奥氏体不锈钢一般不能用于制作滑动摩擦配副零部件。基于摩擦磨损始发生于材料表面，已有研究表明，借助表面技术可有效提高奥氏体不锈钢的耐磨性。选用合适的表面处理技术对于拓展奥氏体不锈钢作为摩擦材料的应用具有显著意义。
高熵合金拥有高硬度、高强度、良好的耐磨性、耐蚀性、抗高温氧化和抗高温蠕变等优异的性能，在航空航天、电子、机械制造以及冶金、化工、能源等领域作为高强、耐磨、耐高温、耐蚀材料等具有广泛的应用前景。高熵合金作为耐磨材料的应用前景得到广泛重视，但目前高熵合金主要采用真空电弧熔炼和熔铸方法制备，且需要使用较多的昂贵有色金属，直接制造成块体材料成本很高。利用表面技术形成高熵合金涂层，可以发挥和利用高熵合金的优势，有效克服成本和加工的问题，并显著提高相应基底材料的耐磨性。
发明内容
本发明旨在提供一种奥氏体不锈钢表面高熵合金涂层的制备方法，所得的高熵合金涂层可显著提高奥氏体不锈钢的耐磨性，降低磨损失重。
本发明提供了一种奥氏体不锈钢表面高熵合金涂层的制备方法，首先对奥氏体不锈钢进行电化学刻蚀处理，然后再制备高熵合金涂层。
上述制备方法，具体包括以下步骤：
(1)对奥氏体不锈钢工件预处理：将奥氏体不锈钢试片表面除油后使用碳化硅水砂纸进行逐级打磨、蒸馏水超声清洗、干燥备用；
(2)将预处理好的奥氏体不锈钢试片留出工作面，其余部分使用环氧树脂密封、干燥后、将其作为工作电极，与参比电极和辅助电极置于质量百分数为10 %~25 %的氯化钠溶液中，组成三电极体系，利用电化学工作站对奥氏体不锈钢试片进行电化学刻蚀处理，得到奥氏体不锈钢工件；
(3)将步骤(2)处理好的奥氏体不锈钢工件与金属表面强化处理器电源的阴极连接，成为工件极，再通过夹具将梳子状高熵合金与金属表面强化处理器电源的阳极连接，成为加工电极；
(4)接通金属表面强化处理器的电源，在工件极与加工电极间施加80~100 V的直流电压，当工件极与加工电极之间的距离低于0.1 mm时，工件极与加工电极之间的空气被电离，产生气体放电现象，即开始对奥氏体不锈钢工件进行高熵合金涂层的制备；
(5)向奥氏体不锈钢工件表面持续通流量为6000～8000 sccm的氩气，在奥氏体不锈钢工件表面移动加工电极，使放电加工速率控制在0.5～1.5 cm2/min，加工时间为1.5～3 h，加工完成后切断金属表面强化处理器的电源，再继续通氩气5～15 min，使奥氏体不锈钢工件冷却到室温。
上述制备方法中，所述奥氏体不锈钢为316L奥氏体不锈钢。
上述制备方法中，所述的高熵合金为AlCrCuFeNi2多组元高熵合金。
上述制备方法中，所述氯化钠溶液的质量百分数为15 %或20 %。
上述制备方法中，所述参比电极为饱和甘汞电极；所述辅助电极为铂片。
上述制备方法中，步骤(5)中，所述直流电压为80 V或90 V，加工速率为1 cm2/min，加工时间为2 h。
本发明中使用的高熵合金为梳子状，是因为高熵合金对制备条件要求较高，需要快速凝固，能制备出来的材料尺寸都不大，所以目前只能制成小棒子或者小薄片，这里所说的梳子状高熵合金是指把多个高熵合金小棒子组合起来，看着像个梳子一样。
本发明的有益效果：
本发明属于金属材料表面改性技术领域，利用奥氏体不锈钢对Cl-点蚀敏感性高的特点，先对316L不锈钢进行电化学刻蚀处理获得表面织构，再制备高熵合金涂层。本发明的优点是可在奥氏体不锈钢表面实现高熵合金涂层的大面积、快速制备，其积极效果是所获得的高熵合金涂层具有良好的耐磨性，减少了磨损失重。
附图说明
图1为高熵合金和高熵合金涂层的X射线衍射图；图中1—高熵合金的X射线衍射谱；2—高熵合金涂层的X射线衍射谱；
图2为未处理奥氏体不锈钢和实施例1处理后的奥氏体不锈钢与GCr15对磨的磨损失重图；图中3—未处理奥氏体不锈钢与GCr15对磨的磨损失重图；4—实施例1高熵合金涂层与GCr15对磨的磨损失重图；
图3为未处理奥氏体不锈钢和实施例1处理后的奥氏体不锈钢与Si3N4对磨的磨损失重图；图中5—未处理奥氏体不锈钢与Si3N4对磨的磨损失重图；6—实施例1高熵合金涂层与Si3N4对磨的磨损失重图；
图4为未处理奥氏体不锈钢和实施例2处理后的奥氏体不锈钢与GCr15对磨的磨损失重图；图中7—未处理奥氏体不锈钢与GCr15对磨的磨损失重图；8—实施例2高熵合金涂层与GCr15对磨的磨损失重图；
图5为未处理奥氏体不锈钢和实施例2处理后的奥氏体不锈钢与Si3N4对磨的磨损失重图；图中9—未处理奥氏体不锈钢与Si3N4对磨的磨损失重图；10—实施例2高熵合金涂层与Si3N4对磨的磨损失重图。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：
现以316L奥氏体不锈钢为例，对本发明进行实施：
实施例1：
(1)对奥氏体不锈钢工件预处理：将奥氏体不锈钢试片表面除油后使用碳化硅水砂纸进行逐级打磨、蒸馏水超声清洗、干燥备用；
(2)将预处理好的奥氏体不锈钢试片留出工作面，其余部分使用环氧树脂密封、干燥后、将其作为工作电极，与作为参比电极的饱和甘汞电极和作为辅助电极的大面积铂片置于质量百分数为20 %的氯化钠溶液中，组成三电极体系，借助电化学工作站对奥氏体不锈钢试片进行电化学刻蚀处理，得到奥氏体不锈钢工件；
(3)将步骤(2)处理好的奥氏体不锈钢工件与金属表面强化处理器电源的阴极连接，成为工件极，再通过夹具将梳子状高熵合金与金属表面强化处理器电源的阳极连接，成为加工电极；
(4)接通金属表面强化处理器的电源，在工件极与加工电极间选择施加直流电压80 V，当工件极与加工电极之间的距离低于0.1 mm时，工件极与加工电极之间的空气被电离，产生气体放电现象，即可开始对奥氏体不锈钢工件进行高熵合金涂层的制备；
(5)保持工件极与加工电极间的直流电压为80 V，开始制备涂层：向奥氏体不锈钢工件表面持续通流量为7000 sccm的氩气，在奥氏体不锈钢工件表面移动加工电极，使放电加工速率控制在1 cm2/min，加工时间为2 h，加工完成后切断金属表面强化处理器的电源，再继续通氩气10min，使奥氏体不锈钢工件冷却到室温。
实施例2：
本实施方式与实施例1不同的是步骤(2)中氯化钠溶液的浓度为15 wt. %，步骤(4)中直流电压为90 V，其它步骤及参数与实施例1相同。
将实施例1和实施例2得到的处理后的奥氏体不锈钢进行耐磨性能测试，
在上述工艺条件下，可在奥氏体不锈钢表面制备高熵合金涂层，并可显著提高奥氏体不锈钢表面的耐磨性。如图1所示，高熵合金涂层的X射线衍射图和高熵合金电极材料的X射线衍射图相一致，证明采用本发明能够制备出高熵合金涂层，图2显示，未处理奥氏体不锈钢和实施例1获得的高熵合金涂层与GCr15对磨的磨损失重，图3显示，未处理奥氏体不锈钢和实施例1获得的高熵合金涂层与Si3N4对磨的磨损失重，图4显示未处理奥氏体不锈钢和实施例2获得的高熵合金涂层与GCr15对磨的磨损失重，图5显示未处理奥氏体不锈钢和实施例2获得的高熵合金涂层与Si3N4对磨的磨损失重，未处理奥氏体不锈钢的磨损失重均远高于高熵合金涂层，说明高熵合金涂层具有良好的耐磨性。测试数据见表1。在上述工艺条件下，奥氏体不锈钢表面获得的高熵合金涂层具有良好的耐磨性。
表1
由表1所提供的磨损实验测试结果可见：高熵合金涂层的磨损失重远低于未处理的奥氏体不锈钢试片。由上述结果可知，表面制备高熵合金涂层后奥氏体不锈钢获得了优异的耐磨性。

Claims (6)

1.一种奥氏体不锈钢表面高熵合金涂层的制备方法，其特征在于：首先对奥氏体不锈钢进行电化学刻蚀处理，然后再制备高熵合金涂层；包括以下步骤：
(1)对奥氏体不锈钢工件预处理：将奥氏体不锈钢试片表面除油后使用碳化硅水砂纸进行逐级打磨、蒸馏水超声清洗、干燥备用；
(2)将预处理好的奥氏体不锈钢试片留出工作面，其余部分使用环氧树脂密封、干燥后、将其作为工作电极，与参比电极和辅助电极置于质量百分数为10 %~25 %的氯化钠溶液中，组成三电极体系，利用电化学工作站对奥氏体不锈钢试片进行电化学刻蚀处理，得到奥氏体不锈钢工件；
(3)将步骤(2)处理好的奥氏体不锈钢工件与金属表面强化处理器电源的阴极连接，成为工件极，再通过夹具将梳子状高熵合金与金属表面强化处理器电源的阳极连接，成为加工电极；
(4)接通金属表面强化处理器的电源，调整工件极与加工电极间的直流电压为80 V~100 V，当工件极与加工电极之间的距离低于0.1 mm时，工件极与加工电极之间的空气被电离，产生气体放电现象，即开始对奥氏体不锈钢工件进行高熵合金涂层的制备；
(5) 向奥氏体不锈钢工件表面持续通流量为6000～8000 sccm的氩气，在奥氏体不锈钢工件表面移动加工电极，使放电加工速率控制在0.5～1.5 cm2/min，加工时间为1.5～3h，加工完成后切断金属表面强化处理器的电源，再继续通氩气5～15 min，使奥氏体不锈钢工件冷却到室温，制得高熵合金涂层。
2.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢表面高熵合金涂层的制备方法，其特征在于：所述奥氏体不锈钢为316L奥氏体不锈钢。
3.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢表面高熵合金涂层的制备方法，其特征在于：所述的高熵合金为AlCrCuFeNi2多组元高熵合金。
4.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢表面高熵合金涂层的制备方法，其特征在于：所述氯化钠溶液的质量百分数为15 %或20 %。
5.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢表面高熵合金涂层的制备方法，其特征在于：所述参比电极为饱和甘汞电极；所述辅助电极为铂片。
6.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢表面高熵合金涂层的制备方法，其特征在于：步骤(5)中，所述直流电压为80 V或90 V，加工速率为1 cm2/min，加工时间为2 h。
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