CN108118337A - 一种等离子束表面熔覆TiN增强高熵合金涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种等离子熔覆TiN增强高熵合金耐磨复合涂层的方法，在低碳钢表面采用等离子束氩气保护下加热熔覆一定比例的Fe‑Cr‑B‑Si、Ni‑Cr‑B‑Si、Co‑Cr‑B‑Si、Cu、TiN组成的混合粉末，由于组成元素为五元以上，在熔覆过程中具有高熵合金的迟滞效应，初生Cr7C3具有晶粒细小的特点，最后在钢基体表面形成了由TiC、Cr7C3增强的CoCrCuFeNi高熵合金涂层。
Description
技术领域
本发明属于高能束表面处理领域，特别涉及采用等离子熔覆制备耐磨复合涂层的方法。
背景技术
在机械、航空航天、纺织、汽车、地质勘探等工业中，大量零部件处在摩擦磨损条件下，为提高其耐磨性，通常采用表面改性或制备涂层的方法，并对涂层耐磨性能的要求越来越高。其中Fe-Cr-B-Si、Ni-Cr-B-Si、Co-Cr-B-Si等为常用的热喷涂或熔覆合金材料，其增强相为(Cr, Fe)7C3，其耐磨性、工艺性等较好。TiN氮化物作为另一种涂层常用增强相，通过高能束熔覆方法添加到涂层中，用于制备耐磨涂层。另外，高熵合金为由五个以上的元素组元按照等原子比或接近于等原子比合金化的合金，具有一些传统合金所无法比拟的优异机械性能，如高硬度、高韧性、高耐磨耐腐蚀性、高强度等，特别适合于制备涂层，并成为在材料科学一个新的研究热点。但目前大多高熵合金涂层的制备采用单质金属粉，其中部分单质金属粉如Ni（1455℃）、Co（1495℃）、Cr（1855℃）的熔点高，单质金属粉间熔点差异大（Cu的熔点1083℃），因此常导致涂层薄且不均匀的缺点。等离子束是一种电弧能量高度集中低成本的高能束，通过将电弧机械压缩，弧柱温度可达10000-24000K，并且对待熔覆的基体有一定的 “挖掘”作用，有利于涂层的均匀，但同时也会熔化部分钢基体导致稀释原先的涂层成分。
发明内容
本发明所要解决的问题是采用单质金属粉制备高熵合金涂层在熔覆过程中存在部分单质金属粉熔点较高不好熔化或熔化不充分，另外，各单质金属粉间熔点差异大易导致涂层成分不均匀。考虑到钢基体的成分主要是Fe，在熔覆过程中会因钢基体的熔化导致涂层的稀释，因此添加的Fe-Cr-B-Si为其余元素的50%原子比，而单质Cu的熔点较低，采用单质金属Cu较为合适。
本发明解决其技术问题所采用的制作方法包括下述工艺步骤：
步骤一、选取将要强化的低碳钢作为基体，对零件的待强化表面进行预处理，用砂轮或砂纸打磨待加工零部件的表面除锈，用酒精或丙酮清除零部件表面的油污。
步骤二、将Fe-Cr-B-Si、Ni-Cr-B-Si、Co-Cr-B-Si、Cu、TiN按一定比例组成混合粉末，所用粉末粒径在30-300μm；其中Ni-Cr-B-Si成分的质量百分比为Cr：14~17，B：2.5~4.5，Si：3~4.5，C：0.6~1.0，其余为Ni；Fe-Cr-B-Si成分的质量百分比为Cr：14~17，B：2.5~4.5，Si：3~4.5，C：0.6~1.0，其余为Fe；Co-Cr-B-Si成分的质量百分比为Cr：14~17，B：2.5~4.5，Si：3~4.5，C：0.6~1.0，其余为Co；Cu粉的纯度高于99.5%；TiN粉的纯度高于99%；混合粉Fe-Cr-B-Si、Ni-Cr-B-Si、Co-Cr-B-Si、Cu、TiN的质量百分比为：10~12：25~28：25~28：25~28：8~10。并用球磨机进行球磨混合，采用钢制球磨罐进行球磨混合，其中的磨球与金属粉质量比为2.5-3.2∶1，密封后打开真空阀抽真空20~30分钟，将球磨罐放入行星式球磨机，转速为260~300 r/min，倒向频率 30~45 Hz，进行球磨混料时间为60~80分钟。
步骤三、将混合粉与压敏胶按一定比例混合制成待熔覆粉，将其涂覆到钢基体表面，涂覆厚度为1~1.3cm，并在100 ～ 120℃烘干1.5~2h。
步骤四、采用等离子束对熔覆粉加热进行熔覆，工艺参数设置为：氩气作为保护气及电离气体，熔覆参数电流为100-160 A，工作电压20-40 V，扫描速度为3-6 mm/s，氩气作为保护气的流量为0.9~1.5m3/h，氩气作为电离的流量为0.7~1.3m3/h，喷嘴距待处理表面的距离为0.7~1.3cm。
本发明的有益效果：
（1）本发明的工艺方法采用高熵合金作为耐磨涂层的基体，能够充分利用其特有的扩散速度慢、对成分变化不敏感的特性，使涂层具有更高的韧性、强度、耐磨性。
（2）本发明使用的是原先常用的Ni-Cr-B-Si、Fe-Cr-B-Si、Co-Cr-B-Si等合金化金属粉，具有熔点低、成分均匀，且成本低的优点。
（3）本发明增强相主要有 (Cr, Fe)7C3、TiN两种，由于高熵合金固有的迟滞扩散效应，使得熔覆过程中初生(Cr, Fe)7C3的尺寸降低，有利于耐磨性的提高，而添加的TiN进一步细化了晶粒，提高了涂层的耐磨性。
具体实施方式
实施例1：步骤一、选取将要强化的低碳钢作为基体，对零件的待强化表面进行预处理，用砂轮或砂纸打磨待加工零部件的表面除锈，用酒精或丙酮清除零部件表面的油污；
步骤二、将Fe-Cr-B-Si、Ni-Cr-B-Si、Co-Cr-B-Si、Cu、TiN按一定比例组成混合粉末，所用粉末粒径在30-300μm；其中Ni-Cr-B-Si成分的质量百分比为Cr：14~17，B：2.5~4.5，Si：3~4.5，C：0.6~1.0，其余为Ni；Fe-Cr-B-Si成分的质量百分比为Cr：14~17，B：2.5~4.5，Si：3~4.5，C：0.6~1.0，其余为Fe；Co-Cr-B-Si成分的质量百分比为Cr：14~17，B：2.5~4.5，Si：3~4.5，C：0.6~1.0，其余为Co；Cu粉的纯度高于99.5%；TiN粉的纯度高于99%；混合粉Fe-Cr-B-Si、Ni-Cr-B-Si、Co-Cr-B-Si、Cu、TiN的质量百分比为：10：28：28：25：9。并用球磨机进行球磨混合，采用钢制球磨罐进行球磨混合，其中的磨球与金属粉质量比为2.5∶1，密封后打开真空阀抽真空30分钟，将球磨罐放入行星式球磨机，转速为 260 r/min，倒向频率45 Hz，进行球磨混料时间为80分钟。
步骤三、将混合粉与压敏胶按一定比例混合制成待熔覆粉，将其涂覆到钢基体表面，涂覆厚度为1.3cm，并在120℃烘干2h。
步骤四、采用等离子束对熔覆粉加热进行熔覆，工艺参数设置为：氩气作为保护气及电离气体，熔覆参数电流为160 A，工作电压40 V，扫描速度为3 mm/s，氩气作为保护气的流量为1.2m3/h，氩气作为电离的流量为1.3m3/h，喷嘴距待处理表面的距离为1 cm。
经实验表明，等离子熔覆涂层形貌光滑、基本无气孔、裂纹等缺陷，涂层厚度大约为580μm，涂层组织晶粒细小、成分均匀的树枝晶组织，TiN主要弥散分布于树枝晶间组织，其物相主要为FCC1和FCC2。涂层的耐磨性为Q235钢的4.5倍。
实施例2：
步骤一、选取将要强化的低碳钢作为基体，对零件的待强化表面进行预处理，用砂轮或砂纸打磨待加工零部件的表面除锈，用酒精或丙酮清除零部件表面的油污；
步骤二、将Fe-Cr-B-Si、Ni-Cr-B-Si、Co-Cr-B-Si、Cu、TiN按一定比例组成混合粉末，所用粉末粒径在30-300μm；其中Ni-Cr-B-Si成分的质量百分比为Cr：14~17，B：2.5~4.5，Si：3~4.5，C：0.6~1.0，其余为Ni；Fe-Cr-B-Si成分的质量百分比为Cr：14~17，B：2.5~4.5，Si：3~4.5，C：0.6~1.0，其余为Fe；Co-Cr-B-Si成分的质量百分比为Cr：14~17，B：2.5~4.5，Si：3~4.5，C：0.6~1.0，其余为Co；Cu粉的纯度高于99.5%；TiN粉的纯度高于99%；混合粉Fe-Cr-B-Si、Ni-Cr-B-Si、Co-Cr-B-Si、Cu、TiN的质量百分比为：12：25：28：25：10。并用球磨机进行球磨混合，采用钢制球磨罐进行球磨混合，其中的磨球与金属粉质量比为3.2∶1，密封后打开真空阀抽真空20分钟，将球磨罐放入行星式球磨机，转速为 260~300 r/min，倒向频率 30Hz，进行球磨混料时间为60分钟。
步骤三、将混合粉与压敏胶按一定比例混合制成待熔覆粉，将其涂覆到钢基体表面，涂覆厚度为1cm，并在100℃烘干1.5。
步骤四、采用等离子束对熔覆粉加热进行熔覆，工艺参数设置为：氩气作为保护气及电离气体，熔覆参数电流为100 A，工作电压20 V，扫描速度为3mm/s，氩气作为保护气的流量为0.9m3/h，氩气作为电离的流量为0.7m3/h，喷嘴距待处理表面的距离为0.7cm。
经实验表明，等离子熔覆涂层形貌光滑、基本无气孔、裂纹等缺陷，涂层厚度大约为470μm，组织为晶粒细小、成分均匀，TiN弥散分布的树枝晶组织，其物相主要为FCC1和FCC2。涂层的耐磨性为Q235钢的4.3倍。
实施例3：
步骤一、选取将要强化的低碳钢作为基体，对零件的待强化表面进行预处理，用砂轮或砂纸打磨待加工零部件的表面除锈，用酒精或丙酮清除零部件表面的油污；
步骤二、将Fe-Cr-B-Si、Ni-Cr-B-Si、Co-Cr-B-Si、Cu、TiN按一定比例组成混合粉末，所用粉末粒径在30-300μm；其中Ni-Cr-B-Si成分的质量百分比为Cr：17，B：2.5~4.5，Si：3~4.5，C：0.6~1.0，其余为Ni；Fe-Cr-B-Si成分的质量百分比为Cr：14~17，B：2.5~4.5，Si：3~4.5，C：0.6~1.0，其余为Fe；Co-Cr-B-Si成分的质量百分比为Cr：14~17，B：2.5~4.5，Si：3~4.5，C：0.6~1.0，其余为Co；Cu粉的纯度高于99.5%；TiN粉的纯度高于99%；混合粉Fe-Cr-B-Si、Ni-Cr-B-Si、Co-Cr-B-Si、Cu、TiN的质量百分比为：12：28：25：25：10。并用球磨机进行球磨混合，采用钢制球磨罐进行球磨混合，其中的磨球与金属粉质量比为3∶1，密封后打开真空阀抽真空25分钟，将球磨罐放入行星式球磨机，转速为 280 r/min，倒向频率40 Hz，进行球磨混料时间为70分钟。
步骤三、将混合粉与压敏胶按一定比例混合制成待熔覆粉，将其涂覆到钢基体表面，涂覆厚度为1.2cm，并在100℃烘干1.5。
步骤四、采用等离子束对熔覆粉加热进行熔覆，工艺参数设置为：氩气作为保护气及电离气体，熔覆参数电流为140 A，工作电压30 V，扫描速度为4.5 mm/s，氩气作为保护气的流量为1.2m3/h，氩气作为电离的流量为1.2m3/h，喷嘴距待处理表面的距离为1.2cm。
经实验表明，等离子熔覆涂层形貌光滑、基本无气孔、裂纹等缺陷，涂层厚度大约为630μm，与钢基体呈冶金结合，组织为晶粒细小、成分均匀，TiN弥散分布的树枝晶组织，其物相主要为FCC1和FCC2。涂层的耐磨性为Q235钢的4.7倍。
Claims (5)
1.一种等离子束表面熔覆TiN增强高熵合金涂层的方法，其特征在于，所述的制作方法包括下述工艺步骤：
步骤一、选取将要强化的低碳钢表面作为基体，对零件的待强化表面进行预处理，用砂轮或砂纸打磨待加工零部件的表面除锈，用酒精或丙酮清除零部件表面的油污；
步骤二、将Fe-Cr-B-Si、Ni-Cr-B-Si、Co-Cr-B-Si、Cu、TiN按一定比例组成混合粉末，并用球磨机进行球磨混合，所用粉末粒径在30-300μm；
步骤三、将混合粉与压敏胶按一定比例混合制成待熔覆粉，将其涂覆到钢基体表面，涂覆厚度为0.8~1.2cm，并烘干；
步骤四、采用等离子束对熔覆粉加热进行熔覆，冷却后即为耐磨涂层。
2.根据权利要求1所述的一种等离子束表面熔覆TiN增强高熵合金涂层的方法，其特征在于：所述的其中Ni-Cr-B-Si成分的质量百分比为Cr：14~17，B：2.5~4.5，Si：3~4.5，C：0.6~1.0，其余为Ni；Fe-Cr-B-Si成分的质量百分比为Cr：14~17，B：2.5~4.5，Si：3~4.5，C：0.6~1.0，其余为Fe；Co-Cr-B-Si成分的质量百分比为Cr：14~17，B：2.5~4.5，Si：3~4.5，C：0.6~1.0，其余为Co；Cu粉的纯度高于99.5%；TiN粉的纯度高于99%；混合粉Fe-Cr-B-Si、Ni-Cr-B-Si、Co-Cr-B-Si、Cu、TiN的质量百分比为：10~12：25~28：25~28：25~28：8~10。
3.根据权利要求1所述的一种等离子束表面熔覆TiN增强高熵合金涂层的方法，其特征在于：所述的球磨混合是采用钢制球磨罐进行球磨混合，其中的磨球与金属粉质量比为2.5-3.2∶1，密封后打开真空阀抽真空20~30分钟，将球磨罐放入行星式球磨机，转速为 260~300 r/min，倒向频率 30~45 Hz，进行球磨混料时间为60~80分钟。
4.根据权利要求1所述的一种等离子束表面熔覆TiN增强高熵合金涂层的方法，其特征在于：所述的烘干工艺为：在100 ～ 120℃烘干1.5 ～ 2h。
5.根据权利要求1所述的一种等离子束表面熔覆TiN增强高熵合金涂层的方法，，其特征在于等离子熔覆工艺在零件表面制备涂层的具体步骤包括：工艺参数设置为：氩气作为保护气及电离气体，熔覆参数电流为100-160 A，工作电压20-40 V，扫描速度为3-6 mm/s，氩气作为保护气的流量为0.9~1.5m3/h，氩气作为电离的流量为0.7~1.3m3/h，喷嘴距待处理表面的距离为0.7~1.3cm。
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