CN109972134A - 一种在高锰钢表面制备FeCoNiCrMn高熵合金涂层的方法 - Google Patents

一种在高锰钢表面制备FeCoNiCrMn高熵合金涂层的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于表面改性技术领域，公开了一种在高锰钢表面制备FeCoNiCrMn高熵合金涂层的方法，该方法如下：S1.砂轮或砂纸将Mn13高锰钢基体板材表面打磨，然后清洗表面；S2.将FeCoNiCrMn高熵合金粉末过筛，抽真空，干燥处理；S3.在氩气气氛下，在高锰钢基体板材上熔覆FeCoNiCrMn高熵合金粉末，得到涂层；采用深冷处理工艺，通过液氮冷却至‑130～‑150℃保温，恢复至室温，即在高锰钢表面制备FeCoNiCrMn高熵合金涂层。本发明制备的高熵合金涂层具有耐腐蚀性、高耐磨性和高硬度，使高熵合金涂层与基体材料有很好的冶金结合，很大程度地提高了涂层的综合性能，延长基体材料使用寿命。

Description

一种在高锰钢表面制备FeCoNiCrMn高熵合金涂层的方法
技术领域
本发明属于表面改性技术领域，更具体地，涉及一种在高锰钢表面制备FeCoNiCrMn高熵合金涂层的方法。
背景技术
传统意义上的合金指的是两种(包含两种)以上的金属或者非金属元素经过熔炼或烧结等方法所合成的具有金属性质的材料。上百年来，人类对于合金体系的开发以及使用已经熟练掌握，开发了多大三十余种合金。合金种类和性能的发展似乎遇到了瓶颈。
现阶段看来，对于新的合金体系的研发越发受到材料学者的重视，引起了一股新的浪潮，随之而来的就是多主元高熵合金。1995年中国台湾清华大学学者叶均蔚教授首次提出了以超过两种元素为主元的合金体系，并定义其为高熵合金，其中多种元素均为主要组元的合金，由5种或以上等摩尔比或近摩尔比的元素进行配比，经过烧结、熔炼等其他合成方法制备形成的具有金属特性的合金材料。因为该种配比的合金混合熵值很高，从而导致抑制析出的金属间化合物，形成了结构单一的体心立方或面心立方的固溶体，甚至产生了非晶。这样的高熵值合金材料具有耐高温氧化、高硬度、特殊电磁性能、耐腐蚀性能等。到目前为止制备高熵合金的方法有很多种，所涉及的领域也很广泛。主要的研究方向有：高熵合金块体、薄膜、涂层材料，以及复合类高熵合金等。所涉及的领域有耐腐蚀、耐高温零件，高频变压器，船体材料以及焊接材料等等。
等离子熔覆技术：在表面涂层的技术领域中，等离子熔覆技术、激光熔覆技术得到了世界范围内表面工程技术人员的高度重视，对其的发展和探索有了深入的进展，使得其得到了广泛的应用和推广。通过二者的技术层面比较(表1)由此可知等离子熔覆除了有相比于激光熔覆更低廉的设备价格以及更便捷的操作工艺等优势来说还有诸多发光点。
表1等离子熔覆技术和激光熔覆技术的各项指标
表面熔覆层的成分主要由熔覆时所添加的熔覆材料所决定。熔覆材料的设计和选择对表面熔覆层的质量和性能十分重要。因而开发表面熔覆专用材料成为表面熔覆技术研究的重点和热点。到目前为止，针对熔覆层不同的服役环境，所开发的熔覆材料体系涵盖了耐磨损、耐腐蚀、抗氧化、抗冲蚀等多个领域。通常情况下表面熔覆材料可分为自熔性合金材料和金属基复合材料两大类。
高锰钢耐磨材料因其表面在挤压和冲击过程中产生硬化而获得良好的抗磨损特性，一直是采矿和铁路等行业的主力耐磨材料。但在中低冲击载荷或磨粒磨损工况条件下，由于磨损接触而没有足够高的表面冲击能量，不能达到充分的加工硬化，使高锰钢未能表现出较高的耐磨性，从而影响其使用寿命。
为了改善在低应力条件下高锰钢的耐磨性，研究学者采取调整成分、合金化、热处理工艺、变质处理等措施使高锰钢在高冲击应力下具有良好的耐磨性和耐冲击性，而且在低应力条件下仍比较耐磨。同时，国内外近年来纷纷研制中碳合金钢、高铬铸铁等材质取代高锰钢，但在复杂工况下的使用效果均不理想。零件的表面与心部性能在进行整体设计处理时两者难以兼顾。
为延长零件的使用寿命，提高机械设备的可靠性，材料和机械学科均在提高机械零件表面性能方面进行了大量的研究与探索。在Fe基、Ni基和Co基自熔性合金粉末中加入各种高硬度陶瓷颗粒，可显著提高金属合金涂层的耐磨性能。
在冶金、矿山、建材等领域，一些在高冲击力下使用的部件(如破碎机锤头)在服役过程中承受矿石等的冲击、高速磨损、挤压等作用，其服役条件严酷而复杂，对材料的性能要求非常荀刻，不仅要求材料具有良好的耐磨性，还要求材料具有一定的抗冲击性能。高硬度陶瓷颗粒增强的金属基耐磨涂层具有硬度高和耐磨性好等优点，但是其抗冲击性能较差，难以在冲击和磨料磨损藕合等复杂工况条件下的保护基体。虽然镍和钴基涂层与铁基涂层相比耐冲击性能得到改善，但成本较贵，难以推广。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，本发明首要目的在于提供一种在高锰钢表面制备FeCoNiCrMn高熵合金涂层的方法。该方法相比于于传统的加入合金元素强化和热处理强化，更加节省材料和能源，设备成本更低。
本发明的另一目的在于提供上述方法制备的在高锰钢表面制备FeCoNiCrMn高熵合金涂层。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：
一种在高锰钢表面制备FeCoNiCrMn高熵合金涂层的方法，包括如下步骤：
S1.熔覆前基体板材预处理：用砂轮或砂纸将高锰钢基体板材表面打磨，然后清洗表面；
S2.熔覆前高熵合金粉末预处理：将FeCoNiCrMn高熵合金粉末过筛，抽真空，在80～105℃干燥处理；
S3.等离子熔覆：将高锰钢基体板材水平放置于等离子熔覆设备工作台，将FeCoNiCrMn高熵合金粉末放入等离子熔覆设备中的粉桶中，在氩气气氛下，熔覆过程同步送FeCoNiCrMn高熵合金粉末，设置等离子熔覆设备的熔覆工艺参数，得到涂层；
S4.熔覆后热处理：采用深冷处理工艺，通过液氮冷却至-130～-150℃保温，后取出包裹石棉恢复至室温，即在高锰钢表面制备FeCoNiCrMn高熵合金涂层。
优选地，步骤S1中所述清洗的用剂为酒精或丙酮。
优选地，步骤S2中所述筛的孔径为300～400目，所述干燥的时间为2～3h。
优选地，步骤S3中所述等离子熔覆设备的熔覆工艺参数为：电流90～110A，喷嘴高度10～14mm，送粉率30～40％，大离子气流量4～6L/min，小离子气流量4～6L/min，扫描速率0.003～0.004m/s。
优选地，步骤S3中所述涂层的宽度为8～10mm。
优选地，步骤S4中所述保温的时间为2～4h。
优选地，步骤S2和S3中所述FeCoNiCrMn高熵合金粉末中各元素的质量百分比为：Fe：19～20％、Cr：19～20％、Ni：19～20％、Co：19～20％、Mn：19～20％、O：0～1％。
优选地，步骤S4中所述FeCoNiCrMn高熵合金涂层中各元素的质量百分比为：C：0～1％、O：0～1％、Fe：19～20％、Cr：19～20％、Ni：19～20％、Co：19～20％、Mn：19～20％、P：0～0.01％、S：0～0.01％。
一种FeCoNiCrMn高熵合金涂层，所述FeCoNiCrMn高熵合金涂层是根据权利要求1-8任一项所述的方法制得，所述FeCoNiCrMn高熵合金涂层中各元素的质量百分比为：C：0～1％、O：0～1％、Fe：19～20％、Cr：19～20％、Ni：19～20％、Co：19～20％、Mn：19～20％、P：0～0.01％、S：0～0.01％。
所述的在高锰钢表面制备FeCoNiCrMn高熵合金涂层在表面改性领域中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明相比于于传统的加入合金元素强化和热处理强化，更加节省材料和能源，设备成本更低；操作环境更为简便，对环境的污染较小，加工周期更短，劳动生产率更高。
2.本发明的方法由于等离子弧能量集中，热输入高，工艺灵活稳定性好，可以精准的对零部件任意部位进行强化或修复；
3.本发明的处理方法得到的涂层组织致密，且涂层与金属基材间能够保持优异的冶金结合，提高了涂层的综合性能，使得基体材料在得到了更加充分的保护，从而延长基体材料使用寿命，具有很好的应用前景。
4.本发明采用等离子熔覆技术，FeCoNiCrMn高熵合金作为熔覆涂层材料，采用深冷处理工艺，制备出了具有高硬度、高耐磨性和高冲击韧性的FeCoNiCrMn高熵合金涂层，既提高了基体材料的表面硬度和耐磨性，又解决了传统硬质颗粒强化金属基耐磨涂层在中高应力等工况下容易开裂的问题。
附图说明
图1为实施例1所得FeCoNiCrMn高熵合金涂层的物相分析图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
实施例1
S1：首先用砂轮或者砂纸把高锰钢M13基体板材表面打磨干净，去除表面的氧化层，然后再用酒精清洗表面的油污和杂质。
S2：筛选尺寸分布在300～400目的FeCoNiCrMn高熵合金粉末，放置于真空干燥箱均匀摊开，抽真空，温度设定为80℃，保温2小时。
S3：将Mn13高锰钢和FeCoNiCrMn高熵合金粉末分别装入熔覆设备进行熔覆。将熔覆工艺参数设定为：电流90A，喷嘴高度12mm，送粉率30％，送粉气流量4L/min，大离子气流量6L/min，小离子气流量4L/min，扫描速率0.003m/s，得到了宽度大约8mm的涂层。
S4：待冷却后，将熔覆得到的试样放入液氮保温瓶中-150℃保温2小时进行深冷处理，后取出用石棉保温直至恢复至室温，即在高锰钢Mn13表面制备FeCoNiCrMn高熵合金涂层，涂层的主要物相成分为Fe0.64Ni0.36、Cr0.19Fe0.74Ni0.11、Mn23C6、CoCx(x＝2～4)。
实施例2
S1：首先用砂轮或者砂纸把高锰钢M13基体板材表面打磨干净，去除表面的氧化层，然后再用酒精清洗表面的油污和杂质。
S2：筛选尺寸分布在300～400目的FeCoNiCrMn高熵合金粉末，放置于真空干燥箱均匀摊开，抽真空，温度设定为80℃，保温2小时。
S3：将Mn13高锰钢和FeCoNiCrMn高熵合金粉末分别装入熔覆设备进行熔覆。将熔覆工艺参数设定为：电流100A，喷嘴高度12mm，送粉率35％，送粉气流量4L/min，大离子气流量6L/min，小离子气流量4L/min，扫描速率0.003m/s，得到了宽度大约9mm的涂层。
S4：待冷却后，将熔覆得到的试样放入液氮保温瓶中-150℃保温2小时进行深冷处理，后取出用石棉保温直至恢复至室温，即在高锰钢Mn13表面制备FeCoNiCrMn高熵合金涂层，涂层的主要物相成分为Fe0.64Ni0.36、Cr0.19Fe0.74Ni0.11、Mn23C6、CoCx(x＝2～4)。
实施例3
S1：为保证涂层与基体材料的结合，首先用砂轮或者砂纸把基体板材表面打磨干净，目的为了去除表面的氧化层，然后再用酒精清洗表面的油污和杂质。
S2：筛选尺寸分布在300～400目的FeCoNiCrMn高熵合金粉末，放置于真空干燥箱均匀摊开，抽真空，温度设定为80℃，保温2小时。
S3：将Mn13高锰钢和FeCoNiCrMn高熵合金粉末分别装入熔覆设备进行熔覆。将熔覆工艺参数设定为：电流100A，喷嘴高度12mm，送粉率35％，送粉气流量4L/min，大离子气流量6L/min，小离子气流量4L/min，扫描速率0.0035m/s，得到了宽度大约9mm的涂层。
S4：待冷却后，将熔覆得到的试样放入液氮保温瓶中-150℃保温2小时进行深冷处理，后取出用石棉保温直至恢复至室温，即在高锰钢表面Mn13制备FeCoNiCrMn高熵合金涂层，涂层的主要物相成分为Fe0.64Ni0.36、Cr0.19Fe0.74Ni0.11、Mn23C6、CoCx(x＝2～4)。
实施例4
S1：为保证涂层与基体材料的结合，首先用砂轮或者砂纸把基体板材表面打磨干净，目的为了去除表面的氧化层，然后再用酒精清洗表面的油污和杂质。
S2：筛选尺寸分布在300～400目的FeCoNiCrMn高熵合金粉末，放置于真空干燥箱均匀摊开，抽真空，温度设定为80℃，保温2小时。
S3：将Mn13高锰钢和FeCoNiCrMn高熵合金粉末分别装入熔覆设备进行熔覆。将熔覆工艺参数设定为：电流110A，喷嘴高度12mm，送粉率40％，送粉气流量4L/min，大离子气流量6L/min，小离子气流量4L/min，扫描速率0.004m/s，得到了宽度大约10mm的涂层。
S4：待冷却后，将熔覆得到的试样放入液氮保温瓶中-150℃保温2小时进行深冷处理，后取出用石棉保温直至恢复至室温，即在高锰钢Mn13表面制备FeCoNiCrMn高熵合金涂层，涂层的主要物相成分为Fe0.64Ni0.36、Cr0.19Fe0.74Ni0.11、Mn23C6、CoCx(x＝2～4)。
实施例1-4所得FeCoNiCrMn高熵合金涂层试件，经过性能测试(相比基体)，其结果如表1所示。从表1中可知，FeCoNiCrMn高熵合金涂层提高了高锰钢基体板材的整体硬度和高冲击力下的冲击韧性，并对高锰钢基体起到了低应力保护作用。
表1实施例1-4所得FeCoNiCrMn高熵合金涂层的性能
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种在高锰钢表面制备FeCoNiCrMn高熵合金涂层的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.熔覆前基体板材预处理：用砂轮或砂纸将Mn13高锰钢基体板材表面打磨，然后清洗表面；
S2.熔覆前高熵合金粉末预处理：将FeCoNiCrMn高熵合金粉末过筛，抽真空，在80～105℃干燥处理；
S3.等离子熔覆：将高锰钢基体板材水平放置于等离子熔覆设备工作台，将FeCoNiCrMn高熵合金粉末放入等离子熔覆设备中的粉桶中，在氩气气氛下，熔覆过程同步送FeCoNiCrMn高熵合金粉末，设置等离子熔覆设备的熔覆工艺参数，得到涂层；
S4.熔覆后热处理：采用深冷处理工艺，通过液氮冷却至-130～-150℃保温，后取出包裹石棉恢复至室温，即在高锰钢表面制备FeCoNiCrMn高熵合金涂层。
2.根据权利要求1所述的在高锰钢表面制备FeCoNiCrMn高熵合金涂层的方法，其特征在于，步骤S1中所述清洗的用剂为酒精或丙酮。
3.根据权利要求1所述的在高锰钢表面制备FeCoNiCrMn高熵合金涂层的方法，其特征在于，步骤S2中所述筛的孔径为300～400目，所述干燥的时间为2～3h。
4.根据权利要求1所述的在高锰钢表面制备FeCoNiCrMn高熵合金涂层的方法，其特征在于，步骤S3中所述等离子熔覆设备的熔覆工艺参数为：电流90～110A，喷嘴高度10～14mm，送粉率30～40％，大离子气流量4～6L/min，小离子气流量4～6L/min，扫描速率0.003～0.004m/s。
5.根据权利要求1所述的在高锰钢表面制备FeCoNiCrMn高熵合金涂层的方法，其特征在于，步骤S3中所述涂层的宽度为8～10mm。
6.根据权利要求1所述的在高锰钢表面制备FeCoNiCrMn高熵合金涂层的方法，其特征在于，步骤S4中所述保温的时间为2～4h。
7.根据权利要求1所述的在高锰钢表面制备FeCoNiCrMn高熵合金涂层的方法，其特征在于，步骤S2和S3中所述FeCoNiCrMn高熵合金粉末中各元素的质量百分比为：Fe：19～20％、Cr：19～20％、Ni：19～20％、Co：19～20％、Mn：19～20％、O：0～1％。
8.根据权利要求1所述的在高锰钢表面制备FeCoNiCrMn高熵合金涂层的方法，其特征在于，步骤S4中所述FeCoNiCrMn高熵合金涂层中各元素的质量百分比为：C：0～1％、O：0～1％、Fe：19～20％、Cr：19～20％、Ni：19～20％、Co：19～20％、Mn：19～20％、P：0～0.01％、S：0～0.01％。
9.一种FeCoNiCrMn高熵合金涂层，其特征在于，所述FeCoNiCrMn高熵合金涂层是根据权利要求1-8任一项所述的方法制得，所述FeCoNiCrMn高熵合金涂层中各元素的质量百分比为：C：0～1％、O：0～1％、Fe：19～20％、Cr：19～20％、Ni：19～20％、Co：19～20％、Mn：19～20％、P：0～0.01％、S：0～0.01％。
10.权利要求9所述的在高锰钢表面制备FeCoNiCrMn高熵合金涂层在表面改性领域中的应用。
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