CN106048380A - 一种高熵合金基复合涂层及其制备方法 - Google Patents

一种高熵合金基复合涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种高熵合金基复合涂层及其制备方法，涉及一种复合涂层及其制备方法，高熵合金基复合涂层的高熵合金基体为 AlCoNiCrFeCu，其体积分数为80‑95%，增强相为SiC，其体积分数为5%‑20%。包括以下制备过程：将Ti、C和Cu粉体称量、混合；然后用石油醚和无水乙醇对上述单质原料进行超声波清洗，最后把上述单质原料混合熔炼，母合金铸锭随钨极磁控电弧炉冷却，然后取出母合金铸锭；喷铸所得圆棒状合金即为高熵合金基复合材料电极；通过连接、叠加而形成连续的涂层，即可。本发明制备的涂层具有高硬度、高韧性、高结合强度、耐磨、耐蚀性等特点，而且所用的原料都为常见原料，来源广泛价格便宜。

Description

一种高熵合金基复合涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种复合涂层及其制备方法，具体涉及一种SiC增强AlCoNiCrFeCu高熵合金基复合涂层及制备方法。
背景技术
随着现代科学技术的飞速发展，单一金属材料很难满足某些特殊需求，而日益兴起的复合材料由于具有许多特殊性能和功能，在现代科学技术发挥着重要作用。同时伴随表面技术的不断发展，具有优异性能的高熵合金基复合材料涂层逐渐被人们关注。
目前，已经被应用于高熵合金基复合涂层的制备方法主要有激光熔覆和等离子熔覆。激光熔覆需要大型激光器，生成成本比较高；同时激光熔覆的光斑外缘和内源温度差别大，复合涂层形成不均匀；由于不同材料对不同波长的激光的吸收能力不同，造成激光熔覆材料选择限制较大。等离子熔覆制备高熵合金基复合涂层过程中，合金粉末在基材表面各处厚度分布不均，单次熔覆会出现部分基材表面裸露的现象，基材没完全被涂层覆盖；同时，采用喷枪送粉，不同密度合金粉末，在运动到停止的过程中，会逐渐出现分离，导致合金粉末在基材表面的成分分布不均，进而导致制备的涂层各处性能不同；等离子熔覆输入热量大，导致基体热变形量大；熔覆后得到的涂层孔隙率高，致密度不好，涂层易从基体表面脱落；等离子熔覆需要大型专用设备，制备成本高。
综上所述，为了能够拓展了高熵合金材料的应用领域，必须开发新的高熵合金基复合涂层及制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高熵合金基复合涂层及其制备方法，该涂层为一种SiC增强AlCoNiCrFeCu高熵合金基复合涂层，而该方法提供一种生产成本低，涂层与基材结合牢固的高熵合金基复合涂层的制备方法。该涂层可应用于磨具的表面沉积，在磨具表面形成具有高硬度、高结合强度、耐磨和耐蚀性的沉积层，或者用于被磨损工件的表面修复。
本发明的技术方案是：
一种高熵合金基复合涂层，高熵合金基体为 AlCoNiCrFeCu，其体积分数为80-95%，增强相为SiC，其体积分数为5%-20%。
本发明提供了上述高熵合金基复合涂层的制备方法，按以下步骤进行：
（1）Si粉纯度为99.9 wt%、活性碳粉纯度为99.5 wt%和Cu粉纯度为99.9wt%。将上述Ti、C和Cu粉体按所需质量用精密电子天平称量出，然后将三种粉体混合。混合粉体在星式球磨机混合10-20小时，转速50-150转/分钟。粉体充分混合均匀后放入压制磨具中，在万能材料液压机上压制成具有一定致密度的圆柱试样块，最后把上述圆柱试样块放入钨极磁控电弧炉的坩埚里面。
（2）AlCoNiCrFeCu高熵合金基体所用单质原料均采用纯度不低于99.9 wt%的Al、Co、Cr、Fe、Ni和Cu。用钢刷除去Al、Co、Cr、Fe、Ni和Cu表面的氧化膜，利用精密电子天平称出上述单质原料的质量。然后用石油醚和无水乙醇对上述单质原料进行超声波清洗，最后把上述单质原料混合一起放入钨极磁控电弧炉的坩埚边缘。
（3）将钨极磁控电弧炉工作腔抽真空至 8×10-4 Pa，再通入纯度为 99.99 wt.%的高纯氩气。将金属钛熔化，通过金属钛在高温下强烈的氧化反应以进一步降低工作腔内氧的分压。首先熔炼坩埚中的圆柱试样块，生成Cu基SiC增强复合材料合金铸锭，为保证合金铸锭均匀，翻炼5次。然后用钨极磁控电弧炉里的机械“手臂”把坩埚边缘的单质原料推人坩埚内，和上述合金铸锭混合，再熔炼上述混合原料，使其成为母合金铸锭。为保证母合金铸锭的化学成分均匀性，母合金铸锭至少需要翻炼 5 次。熔炼完成后，母合金铸锭随钨极磁控电弧炉冷却至室温，然后打开钨极磁控电弧炉取出母合金铸锭。
（4）本方案所用的直径为6mm圆棒状合金电极均在高真空下利用铜模喷铸造方法获得。将上述母合金铸锭压碎成小块合金，选择20-30克的小块合金放入下面带有直径为1.5 mm小孔的石英管内，再把装有小块合金的石英管放进感应炉里。然后将感应炉工作腔抽真空至 1×10-3 Pa，进行感应熔炼。待小块合金由固体变成合金熔体，并且合金熔体的温度达到预设温度后，立即用高纯氩气将石英管内的合金熔体喷入正下方的铜模内，喷射气压控制在 0.025 MPa，冷却速度103K/s。喷铸所得6mm圆棒状合金即为高熵合金基复合材料电极。
（5）选不锈钢作为基体，将不锈钢用线切割切出长20mm，宽20mm，厚5mm的薄片，表面经砂纸研磨抛光后，分别用丙酮、酒精和去离子水超声波清洗待用。
（6）涂层设备选用电火花沉积系统。将基体合金薄片固定在能导电的夹具上，合金电极材料夹持在焊枪前端，焊枪与自动进给系统相连接，可在三维方向运动；调节焊枪前端电极材料与基体合金薄片间的距离至适当距离；打开高频电源，设定工艺参数，包括电压50V、100V、150V，电容10-500uF，放电频率60-2000Hz，氮气保护气300-500L/h；打开放电开关，电极材料与基体间产生火花放电，电极材料被熔化、溅射到基体表面，通过连接、叠加而形成连续的涂层。所得涂层即为SiC增强AlCoNiCrFeCu高熵合金基复合涂层。
本发明的优点与效果是：
(1) 本发明制备的涂层具有高硬度、高韧性、高结合强度、耐磨、耐蚀性等特点，而且所用的原料都为常见原料，来源广泛价格便宜。
(2)本发明使用的设备简单，使用成本低廉，制备时间短。该方法工艺成本低且简便易行，提高了生产效率，为生产线作业提供可能。
(3)本发明制备的高熵合金基复合涂层的方法，制备过程中对不锈钢基体热影响小，不锈钢基体不会发生变形；利用氮气为保护气体，能有效防止涂层氧化。
附图说明
图 1为本发明实施例1制备的SiC增强AlCoNiCrFeCu高熵合金基复合涂层的扫描电镜背散射图片；
图2为本发明实施例1制备的SiC增强AlCoNiCrFeCu高熵合金基复合涂层的扫描电镜背散射能谱分析；
图 3为本发明实施例2制备的SiC增强AlCoNiCrFeCu高熵合金基复合涂层的扫描电镜背散射图片；
图 4为本发明实施例2制备SiC增强AlCoNiCrFeCu高熵合金基复合涂层界面处的金相照片。
具体实施方案
以下通过实施例详述本发明。
实施例1
一种SiC增强AlCoNiCrFeCu高熵合金基复合涂层成分包括：增强相为SiC体积分数为15%，AlCoNiCrFeCu高熵合金基体体积分数为85%。
本发明提供了上述高熵合金基复合涂层的制备方法，按以下步骤进行：
（1）试验所有的Si粉纯度为99.9 wt%、活性碳粉纯度为99.5 wt%和Cu粉纯度为99.9wt%。将上述Ti、C和Cu粉体按所需质量用精密电子天平称量出，然后将三种粉体混合。混合粉体在星式球磨机混合10小时，转速150转/分钟。粉体充分混合均匀后放入压制磨具中，在万能材料液压机上压制成具有一定致密度的圆柱试样块，最后把上述圆柱试样块放入钨极磁控电弧炉的坩埚里面。
（2）AlCoNiCrFeCu高熵合金基体所用单质原料均采用纯度不低于99.9 wt%的Al、Co、Cr、Fe、Ni和Cu。用钢刷除去Al、Co、Cr、Fe、Ni和Cu表面的氧化膜，利用精密电子天平称出上述单质原料质量。然后用石油醚和无水乙醇对上述单质原料进行超声波清洗，最后把上述单质原料混合一起放入钨极磁控电弧炉的坩埚边缘。
（3）将钨极磁控电弧炉工作腔抽真空至 8×10-4 Pa，再通入纯度为 99.99 wt.%的高纯氩气。将金属钛熔化，通过金属钛在高温下强烈的氧化反应以进一步降低工作腔内氧的分压。首先熔炼坩埚中的圆柱试样块，生成Cu基SiC增强复合材料合金铸锭，为保证合金铸锭均匀，翻炼5次。然后用钨极磁控电弧炉里的机械“手臂”把坩埚边缘的单质原料推人坩埚内，和上述合金铸锭混合，再熔炼混合原料，使其成为母合金铸锭。为保证母合金铸锭的化学成分均匀性，母合金铸锭至少需要翻炼 5 次。熔炼完成后，母合金铸锭随钨极磁控电弧炉冷却至室温，然后打开钨极磁控电弧炉取出母合金铸锭。
（4）本方案所用的直径为6mm圆棒状合金电极均在高真空下利用铜模喷铸造方法获得。将上述母合金铸锭压碎成小块合金，选择25.663克的小块合金放入下面带有直径为1.5 mm小孔的石英管内，再把装有小块合金的石英管放进感应炉里。然后将感应炉工作腔抽真空至 1×10-3 Pa，进行感应熔炼。待小块合金由固体变成合金熔体，并且合金熔体的温度达到预设温度后，立即用高纯氩气将石英管内的合金熔体喷入正下方的铜模内，喷射气压控制在 0.025 MPa，冷却速度6×103K/s。喷铸所得6mm圆棒状合金即为高熵合金基复合材料电极。
（5）选不锈钢作为基体，将不锈钢用线切割切出长20mm，宽20mm，厚5mm的薄片，表面经砂纸研磨抛光后，分别用丙酮、酒精和去离子水超声波清洗待用。
（6）涂层设备选用电火花沉积系统。将基体合金薄片固定在能导电的夹具上，合金电极材料夹持在焊枪前端，焊枪与自动进给系统相连接，可在三维方向运动；调节焊枪前端电极材料与基体合金薄片间的距离至适当距离；打开高频电源，设定工艺参数，包括电压100V，电容300uF，放电频率500Hz，氮气保护气500L/h；打开放电开关，电极材料与基体间产生火花放电，电极材料被熔化、溅射到基体表面，通过连接、叠加而形成连续的涂层。所得涂层即为SiC增强AlCoNiCrFeCu高熵合金基复合涂层。从图1可以看出，增强相SiC已经生成，分布较均匀。
实施例2
一种SiC增强AlCoNiCrFeCu高熵合金基复合涂层成分包括：增强相为SiC体积分数为10%，AlCoNiCrFeCu高熵合金基体体积分数为90%。
本发明提供了上述高熵合金基复合涂层的制备方法，按以下步骤进行：
（1）试验所有的Si粉纯度为99.9 wt%、活性碳粉纯度为99.5 wt%和Cu粉纯度为99.9wt%。将上述Ti、C和Cu粉体按所需质量用精密电子天平称量出，然后将三种粉体混合。混合粉体在星式球磨机混合20小时，转速100转/分钟。粉体充分混合均匀后放入压制磨具中，在万能材料液压机上压制成具有一定致密度的圆柱试样块，最后把上述圆柱试样块放入钨极磁控电弧炉的坩埚里面。
（2）AlCoNiCrFeCu高熵合金基体所用单质原料均采用纯度不低于99.9 wt%的Al、Co、Cr、Fe、Ni和Cu。用钢刷除去Al、Co、Cr、Fe、Ni和Cu表面的氧化膜，利用精密电子天平称出上述单质原料质量。然后用石油醚和无水乙醇对上述单质原料进行超声波清洗，最后把上述单质原料混合一起放入钨极磁控电弧炉的坩埚边缘。
（3）将钨极磁控电弧炉工作腔抽真空至 8×10-4 Pa，再通入纯度为 99.99 wt.%的高纯氩气。将金属钛熔化，通过金属钛在高温下强烈的氧化反应以进一步降低工作腔内氧的分压。首先熔炼坩埚中的圆柱试样块，生成Cu基SiC增强复合材料合金铸锭，为保证合金铸锭均匀，翻炼5次。然后用钨极磁控电弧炉里的机械“手臂”把坩埚边缘的单质原料推人坩埚内，和上述合金铸锭混合，再熔炼混合原料，使其成为母合金铸锭。为保证母合金铸锭的化学成分均匀性，母合金铸锭至少需要翻炼 5 次。熔炼完成后，母合金铸锭随钨极磁控电弧炉冷却至室温，然后打开钨极磁控电弧炉取出母合金铸锭。
（4）本方案所用的直径为6mm圆棒状合金电极均在高真空下利用铜模喷铸造方法获得。将上述母合金铸锭压碎成小块合金，选择23.963克的小块合金放入下面带有直径为1.5 mm小孔的石英管内，再把装有小块合金的石英管放进感应炉里。然后将感应炉工作腔抽真空至 1×10-3 Pa，进行感应熔炼。待小块合金由固体变成合金熔体，并且合金熔体的温度达到预设温度后，立即用高纯氩气将石英管内的合金熔体喷入正下方的铜模内，喷射气压控制在 0.025 MPa，冷却速度8×103K/s。喷铸所得6mm圆棒状合金即为高熵合金基复合材料电极。
（5）选不锈钢作为基体，将不锈钢用线切割切出长20mm，宽20mm，厚5mm的薄片，表面经砂纸研磨抛光后，分别用丙酮、酒精和去离子水超声波清洗待用。
（6）涂层设备选用电火花沉积系统。将基体合金薄片固定在能导电的夹具上，合金电极材料夹持在焊枪前端，焊枪与自动进给系统相连接，可在三维方向运动；调节焊枪前端电极材料与基体合金薄片间的距离至适当距离；打开高频电源，设定工艺参数，包括电压150V，电容300uF，放电频率1000Hz，氮气保护气500L/h；打开放电开关，电极材料与基体间产生火花放电，电极材料被熔化、溅射到基体表面，通过连接、叠加而形成连续的涂层。所得涂层即为SiC增强AlCoNiCrFeCu高熵合金基复合涂层。从图2可以看出，增强相SiC分布均匀，而从图3可以看出，高熵合金基复合涂层与不锈钢基体完全结合，没有缝隙。
实施例3
一种SiC增强AlCoNiCrFeCu高熵合金基复合涂层成分包括：增强相为SiC体积分数为5%，AlCoNiCrFeCu高熵合金基体体积分数为95%。
本发明提供了上述高熵合金基复合涂层的制备方法，按以下步骤进行：
（1）试验所有的Si粉纯度为99.9 wt%、活性碳粉纯度为99.5 wt%和Cu粉纯度为99.9wt%。将上述Ti、C和Cu粉体按所需质量用精密电子天平称量出，然后将三种粉体混合。混合粉体在星式球磨机混合15小时，转速50转/分钟。粉体充分混合均匀后放入压制磨具中，在万能材料液压机上压制成具有一定致密度的圆柱试样块，最后把上述圆柱试样块放入钨极磁控电弧炉的坩埚里面。
（2）AlCoNiCrFeCu高熵合金基体所用单质原料均采用纯度不低于99.9 wt%的Al、Co、Cr、Fe、Ni和Cu。用钢刷除去Al、Co、Cr、Fe、Ni和Cu表面的氧化膜，利用精密电子天平称出上述单质原料质量。然后用石油醚和无水乙醇对上述单质原料进行超声波清洗，最后把上述单质原料混合一起放入钨极磁控电弧炉的坩埚边缘。
（3）将钨极磁控电弧炉工作腔抽真空至 8×10-4 Pa，再通入纯度为 99.99 wt.%的高纯氩气。将金属钛熔化，通过金属钛在高温下强烈的氧化反应以进一步降低工作腔内氧的分压。首先熔炼坩埚中的圆柱试样块，生成Cu基SiC增强复合材料合金铸锭，为保证合金铸锭均匀，翻炼5次。然后用钨极磁控电弧炉里的机械“手臂”把坩埚边缘的单质原料推人坩埚内，和上述合金铸锭混合，再熔炼混合原料，使其成为母合金铸锭。为保证母合金铸锭的化学成分均匀性，母合金铸锭至少需要翻炼 5 次。熔炼完成后，母合金铸锭随钨极磁控电弧炉冷却至室温，然后打开钨极磁控电弧炉取出母合金铸锭。
（4）本方案所用的直径为6mm圆棒状合金电极均在高真空下利用铜模喷铸造方法获得。将上述母合金铸锭压碎成小块合金，选择约20克的小块合金放入下面带有直径为1.5mm小孔的石英管内，再把装有小块合金的石英管放进感应炉里。然后将感应炉工作腔抽真空至 1×10-3 Pa，进行感应熔炼。待小块合金由固体变成合金熔体，并且合金熔体的温度达到预设温度后，立即用高纯氩气将石英管内的合金熔体喷入正下方的铜模内，喷射气压控制在 0.025 MPa，冷却速度8×103K/s。喷铸所得6mm圆棒状合金即为高熵合金基复合材料电极。
（5）选不锈钢作为基体，将不锈钢用线切割切出长20mm，宽20mm，厚5mm的薄片，表面经砂纸研磨抛光后，分别用丙酮、酒精和去离子水超声波清洗待用。
（6）涂层设备选用电火花沉积系统。将基体合金薄片固定在能导电的夹具上，合金电极材料夹持在焊枪前端，焊枪与自动进给系统相连接，可在三维方向运动；调节焊枪前端电极材料与基体合金薄片间的距离至适当距离；打开高频电源，设定工艺参数，包括电压50V，电容200uF，放电频率500Hz，氮气保护气500L/h；打开放电开关，电极材料与基体间产生火花放电，电极材料被熔化、溅射到基体表面，通过连接、叠加而形成连续的涂层。所得涂层即为SiC增强AlCoNiCrFeCu高熵合金基复合涂层。

Claims (6)

1.一种高熵合金基复合涂层，其特征在于，所述高熵合金基复合涂层的高熵合金基体为 AlCoNiCrFeCu，其体积分数为80-95%，增强相为SiC，其体积分数为5%-20%。
2.一种高熵合金基复合涂层制备方法，其特征在于，所述方法包括以下制备过程：
（1）试验所有的Si粉纯度为99.9 wt%、活性碳粉纯度为99.5 wt%和Cu粉纯度为99.9wt%；将上述Ti、C和Cu粉体按所需质量用精密电子天平称量出，然后将三种粉体混合；
（2）AlCoNiCrFeCu高熵合金基体所用单质原料均采用纯度不低于99.9 wt%的Al、Co、Cr、Fe、Ni和Cu；用钢刷除去Al、Co、Cr、Fe、Ni和Cu表面的氧化膜，利用精密电子天平称出上述单质原料的质量；然后用石油醚和无水乙醇对上述单质原料进行超声波清洗，最后把上述单质原料混合一起放入钨极磁控电弧炉的坩埚边缘；
（3）将钨极磁控电弧炉工作腔抽真空至 8×10-4 Pa，再通入纯度为 99.99 wt.% 的高纯氩气；将金属钛熔化，熔炼完成后，母合金铸锭随钨极磁控电弧炉冷却至室温，然后打开钨极磁控电弧炉取出母合金铸锭；
（4）所用的直径为6mm圆棒状合金电极均在高真空下利用铜模喷铸造方法获得；将上述母合金铸锭压碎成小块合金，选择20-30克的小块合金放入下面带有直径为1.5 mm小孔的石英管内，再把装有小块合金的石英管放进感应炉里，然后将感应炉工作腔抽真空至 1×10-3 Pa，进行感应熔炼，待小块合金由固体变成合金熔体，并且合金熔体的温度达到预设温度后，立即用高纯氩气将石英管内的合金熔体喷入正下方的铜模内，喷射气压控制在0.025 MPa，冷却速度103K/s，喷铸所得6mm圆棒状合金即为高熵合金基复合材料电极；
（5）选不锈钢作为基体，分别用丙酮、酒精和去离子水超声波清洗待用；
（6）涂层设备选用电火花沉积系统，将基体合金薄片固定在能导电的夹具上，合金电极材料夹持在焊枪前端，焊枪与自动进给系统相连接，在三维方向运动；通过连接、叠加而形成连续的涂层，所得涂层即为SiC增强AlCoNiCrFeCu高熵合金基复合涂层。
3.根据权利要求2所述的一种高熵合金基复合涂层制备方法，其特征在于，所述混合粉体在星式球磨机混合10-20小时，转速50-150转/分钟；粉体充分混合均匀后放入压制磨具中，在万能材料液压机上压制成具有致密度的圆柱试样块，最后把上述圆柱试样块放入钨极磁控电弧炉的坩埚里面。
4.根据权利要求1所述的一种高熵合金基复合涂层及其制备方法，其特征在于，所述金属钛在高温下强烈的氧化反应以进一步降低工作腔内氧的分压；首先熔炼坩埚中的圆柱试样块，生成Cu基SiC增强复合材料合金铸锭，为保证合金铸锭均匀，翻炼5次；然后用钨极磁控电弧炉里的机械“手臂”把坩埚边缘的单质原料推人坩埚内，和上述合金铸锭混合，再熔炼上述混合原料，使其成为母合金铸锭；为保证母合金铸锭的化学成分均匀性，母合金铸锭至少需要翻炼 5 次。
5.根据权利要求1所述的一种高熵合金基复合涂层及其制备方法，其特征在于，所述不锈钢作基体，为将不锈钢用线切割切出长20mm，宽20mm，厚5mm的薄片，表面经砂纸研磨抛光。
6.根据权利要求1所述的一种高熵合金基复合涂层及其制备方法，其特征在于，所述调节焊枪前端电极材料与基体合金薄片间的距离，打开高频电源，设定工艺参数，包括电压50V、100V、150V，电容10-500uF，放电频率60-2000Hz，氮气保护气300-500L/h；打开放电开关，电极材料与基体间产生火花放电，电极材料被熔化、溅射到基体表面。
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