CN108977751A

CN108977751A - 一种超声波辅助等离子热喷涂制备高熵合金涂层的方法

Info

Publication number: CN108977751A
Application number: CN201810664985.6A
Authority: CN
Inventors: 卢金斌; 刘威; 殷振; 吴永忠; 曹自洋; 朱其新; 汪帮富; 蒋全胜; 冯杰; 张旺玺
Original assignee: Suzhou University of Science and Technology
Current assignee: Suzhou University of Science and Technology
Priority date: 2018-06-26
Filing date: 2018-06-26
Publication date: 2018-12-11

Abstract

本发明公开了一种超声波辅助等离子热喷涂制备高熵合金涂层的方法，在刀具表面采用等离子热喷涂一定比例Al、Co、Mo、Ni、Ti、Zr的混合粉末，由于组成元素为近等摩尔的五元以上组元组成，在热喷涂过程中可实现混合，同时在沉积时超声波辅助振动有利于合金元素的均匀混合，最后形成AlCoMoNiTiZr高熵合金涂层，该涂层具有高硬度和高的热稳定，可实现刀具的高效加工。

Description

一种超声波辅助等离子热喷涂制备高熵合金涂层的方法

技术领域

本发明属于高能束表面处理领域，特别涉及刀具表面热喷涂制备耐高温复合涂层的方法。

背景技术

高速钢、高碳钢具有较好的成形性能和成本低的优势，获得了广泛的应用，但其耐磨性和高温性能差使此类刀具受到一定的限制，通过提高其表面性能能够获得较好的耐磨性和高温性能。高熵合金是由五种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，如高耐磨、耐腐蚀性、高强度、高硬度、高韧性、高温性能等，从而使其成为制作涂层的选择之一。采用等离子喷涂是将粉末材料送入等离子弧中，使粉末颗粒在其中加速、熔化并混合后，利用冲击力的作用在基底上铺展并凝固形成层片，进而通过层片叠层形成涂层的一类加工工艺。它具有生产效率高、制备的涂层质量好、喷涂的材料范围广、成本低等优点。为提高刀具的耐高温性能，通过选择难熔合金制作高熵合金涂层有利于提高高速钢或高碳钢刀具的高温性能，其固有的高熵效应有利于避免难熔合金形成金属间化合物，在刀具的小表面形成一薄层高熵合金，热应力较小，由于采用难熔合金的单质金属粉较难混合均匀，因此通过超声波辅助振动，使难熔合金中的元素达到原子级的均匀，同时降低晶粒度。采用热喷涂在刀具表面制备耐磨涂层，具有工艺简单、不破坏刀具原先的表面组织、对刀具尺寸影响小的特点。

发明内容

本发明的任务是针对现有高速钢或高碳钢刀具表面硬度和耐磨性不足的缺陷，提供一种合理、成熟的制备表面涂层的工艺，在刀具表面制得一种高耐磨、高硬度和韧性的涂层。

本发明所述的超声波辅助等离子热喷涂制备高熵合金涂层的制备工艺是：

步骤一、将一定比例Al、Co、Mo、Ni、Ti、Zr单质金属粉末，按比例用球磨机进行球磨混合，形成混合粉末，其中Al、Co、Mo、Ni、Ti、Zr单质金属粉末的纯度为99.9%~100%，Al、Co、Ni、Ti粒度在40-80μm，Mo、Zr的粒度在10-30μm，混合比例按以下重量比组成：Al为10~12%、Co为15~19%、Mo为15~19%、Ni为19~25%、Ti为12~18%、Zr为15~18%。采用钢制球磨罐进行金属粉的球磨混合，其中磨球与金属粉质量比为2.6-3.1∶1，密封后打开真空阀抽真空25-35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。

步骤二、选取将要强化的刀具表面，对其清除油污，然后喷砂毛化处理，达到表面粗糙度均匀，无反光，最后对刀具表面进行预热，预热温度控制在250~300℃，刀具材料为高碳钢或高速钢。

步骤三、采用热喷涂的方式对刀具表面预喷涂Ni-Al粘结层，粘结层厚度控制在10-25μm，其中Ni-Al合金粉末的粒度为20-30μm，含Al的质量为8~20%，其余为Ni。

步骤四、采用等离子喷涂设备对刀具表面将混合粉末进行热喷涂，冷却后即为刀具涂层。喷涂工艺参数为：喷涂枪距刀具距离：90-120mm，工作电流：500-700A，工作电压：50-70V，氩气速度：30-50 L/min，H₂速度：5-10 L/min，送粉量：38~70g/min，冷却气压：0.3-0.5MPa，喷涂枪移动速度：30-80mm/s。另外，在刀具基体上安置超声波换能器；在等离子热喷涂时，超声波换能器启动，刀具随超声波换能器一起振动，进行超声波振动辅助热喷涂涂层，直到热喷涂完成。其中，超声波换能器连接有超声波发生器，超声波换能器的输出功率为0.2-2kW，超声波换能器工作频率为20-100kHz，超声波换能器输出振幅为10-35μm。

本发明的有益效果：

（1）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、高温性能和耐磨性。

（2）本申请在刀具表面进行热喷涂，由于刀具较小的表面，喷涂后涂层具有热应力小的特点，提高了涂层与高熵合金的结合力。

（3）采用超声波辅助喷涂，有利于难熔难混合单质熔融金属粉混合均匀，并且涂层晶粒细小，有利于提高涂层性能。

（4）与采用单质粉熔化混合后，再喷粉制作预合金粉相比，能够降低涂层制造成本。

具体实施方式

实施例1：

步骤一、将一定比例Al、Co、Mo、Ni、Ti、Zr单质金属粉末用球磨机进行球磨混合，形成混合粉末，其中Al、Co、Mo、Ni、Ti、Zr单质金属粉末的纯度为99.9%~100%，Al、Co、Ni、Ti粒度在40-80μm，Mo、Zr的粒度在10-30μm，混合比例按以下重量比组成：Al为12%、Co为15%、Mo为19%、Ni为19%、Ti为18%、Zr为17%。采用钢制球磨罐进行金属粉的球磨混合，其中磨球与金属粉质量比为2.6∶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260 r/min，倒向频率 30 Hz，进行球磨混料时间为60分钟。

步骤二、选取高速钢刀具表面，对其清除油污，然后喷砂毛化处理，达到表面粗糙度均匀，无反光，最后对刀具表面进行预热，预热温度控制在250℃。

步骤四、采用等离子喷涂设备对刀具表面将混合粉末进行热喷涂，冷却后即为刀具涂层。喷涂工艺参数为：喷涂枪距刀具距离：90mm，工作电流：500-520A，工作电压：50V，氩气速度：30 L/min，H₂速度：5 L/min，送粉量：38g/min，冷却气压：0.3MPa，喷涂枪移动速度：30mm/s。另外，在刀具基体上安置超声波换能器；在等离子热喷涂时，超声波换能器启动，刀具随超声波换能器一起振动，进行超声波振动辅助热喷涂涂层，直到热喷涂完成。其中，超声波换能器连接有超声波发生器，超声波换能器的输出功率为0.2kW，超声波换能器工作频率为20kHz，超声波换能器输出振幅为10μm。

经实验表明，热喷涂涂层形貌光滑，基本无气孔、裂纹等缺陷，涂层组织晶粒细小，组织致密，其物相主要为FCC1和FCC2，其硬度达到800HV，有利于提高刀具的耐磨性。

实施例2：

步骤一、将一定比例Al、Co、Mo、Ni、Ti、Zr单质金属粉末，用球磨机进行球磨混合，形成混合粉末，其中Al、Co、Mo、Ni、Ti、Zr单质金属粉末的纯度为99.9%~100%，Al、Co、Ni、Ti粒度在40-80μm，Mo、Zr的粒度在10-30μm，混合比例按以下重量比组成：Al为10%、Co为15%、Mo为15%、Ni为25%、Ti为17%、Zr为18%。采用钢制球磨罐进行金属粉的球磨混合，其中磨球与金属粉质量比为3.1∶1，密封后打开真空阀抽真空35分钟，将球磨罐放入行星式球磨机，转速为300 r/min，倒向频率45 Hz，进行球磨混料时间为80分钟。

步骤二、选取高碳钢刀具表面，对其清除油污，然后喷砂毛化处理，达到表面粗糙度均匀，无反光，最后对刀具表面进行预热，预热温度控制在300℃。

步骤三、采用热喷涂的方式对刀具表面预喷涂Ni-Al粘结层，粘结层厚度控制在15-20μm，其中Ni-Al合金粉末的粒度为20-30μm，含Al的质量为8~20%，其余为Ni。

步骤四、采用等离子喷涂设备对刀具表面将混合粉末进行热喷涂，冷却后即为刀具涂层。喷涂工艺参数为：喷涂枪距刀具距离：120mm，工作电流：700A，工作电压：70V，氩气速度：50 L/min，H₂速度： 10 L/min，送粉量：70g/min，冷却气压：0.5MPa，喷涂枪移动速度：80mm/s。另外，在刀具基体上安置超声波换能器；在等离子热喷涂时，超声波换能器启动，刀具随超声波换能器一起振动，进行超声波振动辅助热喷涂涂层，直到热喷涂完成。其中，超声波换能器连接有超声波发生器，超声波换能器的输出功率为2kW，超声波换能器工作频率为100kHz，超声波换能器输出振幅为30μm。

经实验表明，等离子热喷涂涂层形貌光滑，基本无气孔、裂纹等缺陷，组织为晶粒细小、成分均匀，其物相主要为FCC和BCC相，硬度达到750HV以上，其耐磨性和高温性能得到提高。

实施例3：

步骤一、将一定比例Al、Co、Mo、Ni、Ti、Zr单质金属粉末，用球磨机进行球磨混合，形成混合粉末，其中Al、Co、Mo、Ni、Ti、Zr单质金属粉末的纯度为99.9%~100%，Al、Co、Ni、Ti粒度在40-80μm，Mo、Zr的粒度在10-30μm，混合比例按以下重量比组成：Al为12%、Co为19%、Mo为19%、Ni为19%、Ti为16%、Zr为15%。采用钢制球磨罐进行金属粉的球磨混合，其中磨球与金属粉质量比为2.8∶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280 r/min，倒向频率 40 Hz，进行球磨混料时间为70分钟。

步骤二、选取高速钢刀具表面，对其清除油污，然后喷砂毛化处理，达到表面粗糙度均匀，无反光，最后对刀具表面进行预热，预热温度控制在270℃。

步骤三、采用热喷涂的方式对刀具表面预喷涂Ni-Al粘结层，粘结层厚度控制在25μm，其中Ni-Al合金粉末的粒度为20-30μm，含Al的质量为8~20%，其余为Ni。

步骤四、采用等离子喷涂设备对刀具表面将混合粉末进行热喷涂，冷却后即为刀具涂层。喷涂工艺参数为：喷涂枪距刀具距离：100mm，工作电流：600A，工作电压：60V，氩气速度：40 L/min，H₂速度：8L/min，送粉量：50g/min，冷却气压：0.4MPa，喷涂枪移动速度：60mm/s。另外，在刀具基体上安置超声波换能器；在等离子热喷涂时，超声波换能器启动，刀具随超声波换能器一起振动，进行超声波振动辅助热喷涂涂层，直到热喷涂完成。其中，超声波换能器连接有超声波发生器，超声波换能器的输出功率为1.2kW，超声波换能器工作频率为60kHz，超声波换能器输出振幅为20μm。喷涂结束后放入沙坑缓冷。

经实验表明，热喷涂涂层形貌光滑，基本无气孔、裂纹等缺陷，涂层组织晶粒细小，组织致密，其物相主要为FCC和BCC，其硬度达到820HV以上，有利于提高刀具的耐磨性。

Claims

1.一种超声波辅助等离子热喷涂制备高熵合金涂层的方法，其特征在于，所述的制备方法包括下述工艺步骤：

步骤一、采用一定比例Al、Co、Mo、Ni、Ti、Zr单质金属粉末，用球磨机进行球磨混合，形成混合粉末，其中Al、Co、Ni、Ti粒度在40-80μm，Mo、Zr的粒度在10-30μm；

步骤二、选取将要强化的刀具表面，对其清除油污，然后喷砂毛化处理，达到表面粗糙度均匀，无反光，最后对刀具表面进行预热，预热温度控制在250~300℃；

步骤三、采用热喷涂的方式对刀具表面预喷涂Ni-Al粘结层，粘结层厚度控制在10-25μm；

步骤四、采用等离子喷涂设备对刀具表面，将混合粉末进行超声波辅助热喷涂，冷却后即为刀具涂层。

2.根据权利要求1所述的一种超声波辅助等离子热喷涂制备高熵合金涂层的方法，其特征在于：所述的混合粉末由纯度为质量比99.9%~100%的Al、Co、Mo、Ni、Ti、Zr单质金属粉末按以下重量比的组成：Al为10~12%、Co为15~19%、Mo为15~19%、Ni为19~25%、Ti为12~18%、Zr为15~18%。

3.根据权利要求1所述的一种超声波辅助等离子热喷涂制备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2.6-3.1∶1，密封后打开真空阀抽真空25-35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所述的一种超声波辅助等离子热喷涂制备高熵合金涂层的方法，其特征在于所述的刀具材料为高碳钢或高速钢。

5.根据权利要求1所述的一种超声波辅助等离子热喷涂制备高熵合金涂层的方法，其特征在于所述的Ni-Al粘结层，其采用的粉末粒度为20-30μm，含Al的质量为8~20%，Ni的质量为80~82%。

6.根据权利要求1所述的一种超声波辅助等离子热喷涂制备高熵合金涂层的方法，其特征在于所述的热喷涂工艺参数为：喷涂枪距刀具距离：90-120mm，工作电流：500-700A，工作电压：50-70V，氩气速度：30-50 L/min，H₂速度：5-10 L/min，送粉量：38~70g/min，冷却气压：0.3-0.5MPa，喷涂枪移动速度：30-80mm/s。

7.根据权利要求1所述的一种超声波辅助等离子热喷涂制备高熵合金涂层的方法，其特征在于：所述的超声波辅助热喷涂，是在刀具基体上安置超声波换能器；在等离子热喷涂时，超声波换能器启动，刀具随超声波换能器一起振动，进行超声波振动辅助热喷涂涂层，直到热喷涂完成。

8.根据权利要求7所述的一种超声波辅助等离子热喷涂制备高熵合金涂层的方法，其特征在于：所述的超声波换能器连接有超声波发生器，超声波换能器的输出功率为0.2-2kW，超声波换能器工作频率为20-100kHz，超声波换能器输出振幅为10-35μm。