CN108677129A

CN108677129A - 一种FeCoNiCrSiAl高熵合金涂层及其制备方法

Info

Publication number: CN108677129A
Application number: CN201810738402.XA
Authority: CN
Inventors: 肖金坤; 吴雨晴; 张伟; 陈娟; 张超
Original assignee: Yangzhou University
Current assignee: Yangzhou University
Priority date: 2018-07-06
Filing date: 2018-07-06
Publication date: 2018-10-19

Abstract

本发明公开了一种FeCoNiCrSiAl高熵合金涂层及其制备方法，其步骤为：称取Fe、Co、Ni、Cr、Si和Al的纯金属粉末，搅拌混合后，将混合粉末进行机械合金化处理，过筛，选取38~74 mm之间的合金粉末，并置于80 ℃下干燥2小时；对待喷涂的金属基体表面进行喷砂粗化处理；以高能球磨后的粉末为原料，在喷砂粗化处理后的基体表面进行大气等离子喷涂，获得FeCoNiCrSiAl高熵合金涂层；热处理强化后获得耐磨耐蚀FeCoNiCrSiAl高熵合金涂层。本发明高熵合金涂层中添加较多的Si能够降低合金的熔点，提高其自熔性，有利于形成缺陷较少的涂层，采用高能球磨的方法对原始纯金属粉末进行机械合金化，以及后续的热处理，有利于形成高熵合金固溶体，制备的高熵合金涂层耐磨损和耐腐蚀性能优异。

Description

一种FeCoNiCrSiAl高熵合金涂层及其制备方法

本发明涉及金属涂层材料及热喷涂技术领域，具体涉及一种FeCoNiCrSiAl高熵合金涂层及其制备方法。

背景技术

高熵合金是近十年发展起来的一类新型合金。它是由五种及以上元素按等原子比或近等原子组成的合金，每一种主要金属元素的摩尔数与该合金的总摩尔数比介于5% 至35% 之间；此外，还可以添加其它合金元素进行合金化，添加量小于5％。高熵合金的多主元组成特点，不同于传统合金有明确的基体元素，所以在液态或无序固溶体状态下具有很高的混合熵，而且高混合熵能够稳定固溶体相，使这类合金具有较简单的相组成和显微组织。正因如此，高熵合金具备热力学上的高熵效应、动力学上的缓慢扩散效应、晶体结构上的晶格错配效应和性能上的鸡尾酒效应等四大效应。这类合金具有高的强度、硬度，优良的耐磨性、耐蚀性、耐低温性、抗高温氧化性及耐回火软化等多种优异性能。

目前关于高熵合金的研究报道主要集中在高熵合金块体材料的制备，较少涉及高熵合金涂层的制备。在高熵合金涂层原料粉末的制备方面，CN 102828139 A提出一种含有Ni、Co、Fe、Cr、Al、Cu、B、Si中部分元素的喷涂用的高熵合金粉末；CN 107740093 A提出以气雾化法制备的NiCrFeAlHfY高熵合金粉末作为激光熔覆用高温封严涂层的原料粉末。在高熵合金涂层的制备技术方面，CN 103060797 B提出了一种等离子熔覆高熵合金涂层的制备方法，并在合金原料粉末中混入金红石、萤石和云母等作为造渣剂；CN 105506613 B 提出采用真空热压烧结的方法在钢基材表面制备CoCrFeNi高熵合金涂层；CN 103556146 B提出采用钨极气体保护焊的方法制备FeCrCuNiCoMnMo七元高熵合金涂层；CN 105862035 A提出采用激光熔覆技术制备MoCuNiAlFeTiCr高熵合金涂层。以上专利研究表明高熵合金涂层在表面工程领域有广阔的应用前景。但是目前的高熵合金的成分设计主要是从提高材料的力学性能角度考虑，大部分合金材料中没有添加自熔元素，合金的熔点较高，造渣能力差，润湿性差，因此并不适合用于制备涂层材料。并且在涂层的制备方面大多采用对基体材料热影响较大的涂层制备方法，基体材料的热变形严重。涂层的硬度较低，耐磨和耐蚀性能较差。因此，开发一种耐磨耐蚀的高熵合金热喷涂涂层具有重要应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种FeCoNiCrSiAl高熵合金涂层及其制备方法，利用机械合金化制备FeCoNiCrSiAl高熵合金粉体，并采用等离子喷涂技术在钢基体表面制备该涂层，通过不同喷涂粉末的成分配比，调节制备工艺参数，以实现涂层微结构的有效调控。本发明制备的FeCoNiCrSiAl高熵合金涂层组织致密，层间结合良好，耐磨和耐蚀性能优良。

一种FeCoNiCrSiAl高熵合金涂层及其制备方法，主要制备步骤如下：

（1）按照高熵合金涂层的成分设计，称取Fe、Co、Ni、Cr、Si和Al的纯金属粉末备用；

（2）将上述纯金属粉末搅拌混合后，装入密闭不锈钢罐中，利用高能球磨机将混合粉末进行机械合金化处理；

（3）将球磨过的粉末进行过筛，选取粒径范围在38~74 mm之间的合金粉末，并将粉末置于烘箱中以80 ℃干燥2小时备用；

（4）对需要喷涂的金属基体表面进行喷砂粗化处理，砂子选用棕刚玉砂，喷砂使用的压缩空气压力为0.4 MPa，喷砂后的基体在2小时内进行等离子喷涂；

（5）以上述步骤（3）制备的高熵合金粉末为原料，利用等离子喷涂设备，在喷砂粗化处理后的基体表面进行等离子喷涂处理，获得FeCoNiCrSiAl高熵合金涂层；

（6）将喷涂后的高熵合金涂层进行热处理强化，获得耐磨耐蚀FeCoNiCrSiAl高熵合金涂层。

在本发明的一个优选实施例中，所述步骤（1）中的各种元素粉末的摩尔百分比为1:1:1:1:1:0.5~2。

在本发明的一个优选实施例中，所述步骤（2）中高能球磨的球为硬质合金球，球料比为10:1，球磨时间大于15小时，球磨罐内充氩气保护。

在本发明的一个优选实施例中，所述步骤（5）中等离子喷涂的参数：喷涂距离为120 mm，等离子气流H₂流量为6 L/min，Ar流量为50 L/min，电流为500 A，电压为58 V，喷枪平移速度为300 m/s，每次向下移动3 mm，重复喷涂4次。

在本发明的一个优选实施例中，所述步骤（6）中热处理温度为800 ℃，时间为2 h，保护气氛为氩气。

与现有技术相比，本发明的优点和效果在于：

1) 本发明制备的高熵合金涂层组成元素包括Fe、Co、Ni、Cr、Si和Al六种，添加较多的Si能够降低合金的熔点，提高其自熔性，有利于形成缺陷较少的涂层。

2)本发明采用高能球磨的方法对原始纯金属粉末进行机械合金化，这样有利于形成高熵合金固溶体，从而提高涂层的性能。

3) 本发明提出采用等离子喷涂技术制备FeCoNiCrSiAl高熵合金涂层的新方法，制备的FeCoNiCrSiAl高熵合金涂层具有高硬度、耐磨性和耐腐蚀性等特点，再经过后续热处理，涂层的硬度和耐磨性有大幅提高。

附图说明

图1为本发明实施例1热喷涂FeCoNiCrSiAl高熵合金涂层的XRD图谱。

图2为本发明为实施例1中的FeCoNiCrSiAl高熵合金涂层的截面SEM图。

图3为本发明实施例1中FeCoNiCrSiAl高熵合金涂层高倍SEM下的EDS面扫。

具体实施方式

为了便于对本发明的理解，下面结合附图和具体实例对本发明进一步描述，但本发明的实施方式不限于此，基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有创造性改变的前提下所获得的实施成果均属于本发明保护的范围。

本发明用到的粉原料、仪器、设备等均可从市场购得或通过常规方法制备。

实施例1：

1.按1:1:1:1:1:0.5的摩尔百分比称取元素为Fe、Co、Ni、Cr、Si、Al的纯金属粉末，然后将上述纯金属粉末进行预混合，再利用高能球磨机在氩气保护下进行高能球磨15~25 h，以便于其机械合金化。

2.筛取粒度范围在38~74 μm球磨后的合金粉末，放入80 ℃烘箱中烘2 h以保证粉末的流动性。

3.用Q235钢作为基体材料，对其表面进行棕刚玉喷砂粗化处理，要求粗化后表面粗糙度为Ra 7.0~9.0。

4.在热喷涂作业前，为提高涂层与基体的结合强度，采用等离子焰流在基体材料表面空走一遍，使基体温度预热达到200 ℃左右。

5.将干燥好的粉末倒入送粉器中，调节送粉率为20 g/min，调节送粉气流使得粉末刚好送入等离子焰流中心。等离子喷涂的参数：喷涂距离为120 mm，等离子气流H₂流量为6 L/min，Ar流量为50 L/min，电流为500 A，电压为58 V，喷枪平移速度为300 m/s，每次向下移动3 mm，重复喷涂4次。最终在Q235钢基体表面沉积厚度约为150 mm的FeCoNiCrSiAl_0.5高熵合金涂层。

6.将喷涂后的工件在氩气保护热处理炉中800 ℃时效处理2 h，目的是使涂层中的合金元素发生充分扩散，形成固溶体，从而提高涂层性能。经测试最终相比未热处理的涂层，维氏硬度可提高200~300 HV_0.1。

7.将制备得到的FeCoNiCrSiAl_0.5高熵合金涂层通过X射线衍射分析（XRD）相成分。结果如图1所示，表明FeCoNiCrSiAl_0.5高熵合金涂层的在热处理过程中发生了相的转变，提高了涂层性能。

8.对所制备涂层的截面进行SEM背散射观察，可以明显看出层间结合良好,硬质相分布均匀，如图2所示。再利用EDS面扫对元素分布进行分析，从图中可以看出各元素分布均匀，如图3所示。

9.对所制备涂层进行球盘往复摩擦磨损实验，其中对摩球为Si₃N₄、载荷10 N、速度40 mm/s、磨痕长度5 mm、总滑动距离72 m。结果表明，喷涂态FeCoNiCrSiAl_0.5涂层的磨损率为7.20×10^-5mm³/N·m，热处理后涂层的磨损率为1.39×10^-5mm³/N·m，

10.对所制备涂层进行电化学测试，极化曲线测试动电位扫描速度为1 mV/s，扫描范围相对于开路电位从-1000 mV至+1000 mV，结果表明，喷涂态FeCoNiCrSiAl_0.5高熵合金涂层的自腐蚀电位为-574 mV，自腐蚀电流为5.93×10^-6 A/cm²。

实施例2：

本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤1中的Fe、Co、Ni、Cr、Si、Al元素摩尔百分比变为1:1:1:1:1:1。在步骤9中，喷涂态FeCoNiCrSiAl涂层的磨损率为4.72×10^-5mm³/N·m，热处理后涂层磨损率为8.88×10^-6mm³/N·m。在步骤10中，喷涂态FeCoNiCrSiAl高熵合金涂层的自腐蚀电位为-552 mV，自腐蚀电流为4.62×10^-6 A/cm²。

实施例3：

本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤1中的Fe、Co、Ni、Cr、Si、Al元素摩尔百分比变为1:1:1:1:1:1.5。在步骤9中，喷涂态FeCoNiCrSiAl_1.5涂层的磨损率为4.18×10^-5mm³/N·m，热处理后涂层磨损率为5.64×10^-6mm³/N·m。在步骤10中，喷涂态FeCoNiCrSiAl_1.5高熵合金涂层的自腐蚀电位为-537 mV，自腐蚀电流为3.12×10^-6 A/cm²。

实施例4：

本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤1中的Fe、Co、Ni、Cr、Si、Al元素摩尔百分比变为1:1:1:1:1:2。在步骤9中，喷涂态FeCoNiCrSiAl₂涂层的磨损率为1.89×10^-5mm³/N·m，热处理后涂层磨损率为3.69×10^-6mm³/N·m。在步骤10中，喷涂态FeCoNiCrSiAl₂高熵合金涂层的自腐蚀电位为-513 mV，自腐蚀电流为1.77×10^-6 A/cm²。

Claims

1.一种FeCoNiCrSiAl高熵合金涂层及其制备方法，其特征在于，其制备步骤如下：

（1）按照高熵合金涂层的成分设计，称取Fe、Co、Ni、Cr、Si和Al的纯金属粉末；

（2）将上述纯金属粉末搅拌混合后，采用高能球磨机将混合粉末进行机械合金化处理；

（3）将球磨过的粉末进行过筛，选取粒径范围在38~74 mm之间的合金粉末，并将粉末置于80±5 ℃下干燥2小时；

（4）对待喷涂的金属基体表面进行喷砂粗化处理；

（5）以上述步骤（3）制备的高熵合金粉末为原料，在喷砂粗化处理后的基体表面进行等离子喷涂处理，获得FeCoNiCrSiAl高熵合金涂层；

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，Fe、Co、Ni、Cr、Si和Al各种元素粉末的摩尔百分比为1:1:1:1:1:0.5~2。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，高能球磨的球为硬质合金球，球料比为10:1，球磨时间大于15小时，球磨罐内充氩气保护。

4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，喷砂粗化处理时的砂子选用棕刚玉砂，喷砂使用的压缩空气压力为0.4 MPa，喷砂后的基体在2小时内进行等离子喷涂。

5. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，喷砂粗化处理后表面粗糙度为Ra 7.0~9.0。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，等离子喷涂的参数为：喷涂距离为120 mm，等离子气流H₂流量为6 L/min，Ar流量为50 L/min，电流为500 A，电压为58 V，喷枪平移速度为300 m/s，每次向下移动3 mm，重复喷涂4次。

7. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，热处理温度为800 ℃，时间为2 h，保护气氛为氩气。