CN110344045A - 一种原位合成低压冷喷涂CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的制备方法 - Google Patents
一种原位合成低压冷喷涂CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种原位合成低压冷喷涂CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的制备方法，该方法为：将Cu粉、Al粉、Ni粉、Cr粉、Ti粉和Si粉，混合均匀得到冷喷用粉体，然后低压冷喷涂至金属基体表面，得到混合粉体涂层，再进行感应重熔原位合成，得到CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层。本发明使用低压冷喷涂技术，将冷喷用粉体低压冷喷涂到基体上，进行感应重熔原位合成，得到CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层，合金化反应充分，混合粉体涂层的微观组织从纯金属原位形成具有面心立方和体心立方结构的高熵合金组织，形成了高熵合金涂层，组织致密，孔隙率低，高熵合金组织结构稳定、杂质少、机械性能优良，强度高、硬度高、耐磨和耐腐蚀性能良好，CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层厚度在100μm～4mm，制备设备简单，工艺方便。
Description
技术领域
本发明属于冷喷涂涂层制备和合金化技术领域，具体涉及一种原位合成低压冷喷涂CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的制备方法。
背景技术
CuAlNiCrTiSi高熵合金具有优良的机械性能，如高强度、良好的耐腐蚀性和优异的耐磨性能。因此，这种新型金属材料适用于许多领域的工程应用，如交通运输、国防或核和生物医学工业等，从而引起工业界的极高期望。但是使用CuAlNiCrTiSi高熵合金制备工业零件，材料成本过高。因此人们将高熵合金制成粉末，将其喷涂到其他金属基体表面上形成涂层，利用其强度高、耐磨性能好、耐腐蚀性能好的特点，提高零件的使用性能与寿命。
目前CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的制备，还没有相关报道。目前已报道的其他成分的高熵合金涂层的制备方法是，使用热喷涂的技术将预制高熵合金粉末材料喷涂到基体表面，制备成高熵合金涂层。使用热喷涂技术制备高熵合金涂层，通过火焰、等离子等热源加热预制高熵合金粉末材料，将半熔融的粉体材料喷射到基体表面形成涂层。采用热喷涂技术制备的涂层孔隙率高，涂层厚度不超过500μm，并且在制备过程中，预制高熵合金粉末材料易氧化，造成涂层内部氧化物杂质较多。热源加热粉体材料时，不可避免的对基体产生热影响，会造成基体氧化、脱碳、变形等负面影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种原位合成低压冷喷涂CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的制备方法，该方法使用低压冷喷涂技术，将Cu粉、Al粉、Ni粉、Cr粉、Ti粉和Si粉，混合后低压冷喷涂到基体上，得到混合粉体涂层，然后对混合粉体涂层进行感应重熔原位合成，得到CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层，合金化反应充分，混合粉体涂层的微观组织从纯金属原位形成具有面心立方(FCC)和体心立方(BCC)结构的高熵合金组织，形成了高熵合金涂层，组织致密，孔隙率低，高熵合金涂层的高熵合金组织结构稳定、杂质少、机械性能优良，具有强度高、硬度高、耐磨和耐腐蚀性能良好的特点，CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层厚度在100μm～4mm，需要的设备简单，工艺方便。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种原位合成低压冷喷涂CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的制备方法，该方法为：
S1、将Cu粉、Al粉、Ni粉、Cr粉、Ti粉和Si粉，混合均匀得到冷喷用粉体；所述冷喷用粉体由以下质量分数的原料制成：Cu粉10％～15％、Al粉6％～10％、Ni粉12％～17％、Cr粉10％～15％、Ti粉20％～25％，余量为Si粉；所述Cu粉是由电解法制备的形貌为树枝状颗粒的粉体；所述Al粉是由雾化法制备的形貌为类球状颗粒的粉体；所述Ni粉是由电解法制备的形貌为不规则形状颗粒的粉体；所述Cr粉是由破碎法制备的形貌为不规则多边形颗粒的粉体；所述Ti粉是由电解法制备的形貌为不规则形状颗粒的粉体；所述Si粉是由破碎法制备的形貌为不规则多边形颗粒的粉体；
S2、将S1中得到的冷喷用粉体，低压冷喷涂至金属基体表面，得到混合粉体涂层；所述低压冷喷涂的工艺参数为：工作气体为压缩空气，载气温度为490℃～530℃，载气压力为0.70MPa～0.74MPa，喷涂距离为21mm～24mm，喷涂速度为0.15m/s～0.2m/s；
S3、将S2中得到的混合粉体涂层进行感应重熔原位合成，得到CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层，所述感应重熔原位合成的工艺参数为：感应线圈与基体的间隙为4.5mm～5mm，加热温度为1100℃～1200℃，加热功率为1.9kW～2.1kW，频率为175kHz，加热时间为35s～40s。
本发明选择Cu粉、Al粉、Ni粉、Cr粉、Ti粉和Si粉作为原料制备高熵合金涂层，因为Ni、Cr两种元素原子半径大小接近，容易形成置换固溶体。金属Ni的晶体结构是FCC，金属Cr的晶体结构是BCC。CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层以Ni、Cr两种原子半径接近的元素为基础，Ni和Cr两种元素形成相互固溶的FCC结构组织与BCC结构组织。Al元素、Ti元素Si元素和Cu元素在CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层属于添加元素。金属Al的加入会促进CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层中的BCC结构产生，Al元素的原子半径比较大，当Al原子固溶到CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层中的FCC结构中时，会增大FCC结构的晶格常数，起到固溶强化的作用，能增加CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的硬度。金属Ti的加入会显著增加CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的硬度和强度，Ti元素的原子半径比较大，当Ti原子固溶到CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层中的FCC结构和BCC结构中时，会增大FCC结构和BCC结构的晶格常数，起到固溶强化的作用。Si元素的原子半径比较小，当Si原子固溶到CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层中的FCC结构和BCC结构中时，会引起FCC结构和BCC结构的晶格常数畸变，起到固溶强化的作用；从而增加CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的硬度和强度以及耐磨性。金属Cu的加入会促进CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层中的FCC结构产生，起到增加CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层塑性的作用。
本发明的冷喷用粉体由以下质量分数的原料制成：Cu粉10％～15％、Al粉6％～10％、Ni粉12％～17％、Cr粉10％～15％、Ti粉20％～25％，余量为Si粉，Ni粉是由电解法制备的形貌为不规则形状颗粒的粉体，冷喷用粉体中Ni粉的质量分数为12％～17％。Ni粉的质量分数在此范围内，可以使冷喷涂混合粉体中的Ni含量达到原位合成CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层所需要的Ni含量，促使CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层内FCC结构组织形成；如果Ni含量过少，会造成混合粉体涂层中的Ni含量少，混合粉体涂层重熔后，涂层内部Cu元素和Cr元素偏析，在涂层内形成Al元素、Ti元素和Si元素的金属间化合物或者单质，无法原位合成CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层；如果Ni含量过多，会造成混合粉体涂层中的Ni含量多，混合粉体涂层重熔后，涂层内部Ni元素偏析，在涂层内形成Ni元素与Al元素、Cu元素的金属间化合物，无法原位合成CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层。这种Ni粉的形貌为不规则形状，是因为电解法制备出的粉体材料形貌一般为树枝状，在运输过程或混粉过程中，树枝状Ni粉破碎分解后，就变成了不规则形状；选用不规则形状的Ni粉，其形状有利于Ni粉在冷喷涂过程中发生塑性变形，与周围的颗粒相互锁死形成机械结合，能提高冷喷涂混合粉体涂层的结合强度，能保证混合粉体涂层中的Ni含量，达到重熔原位合成CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层所需要的Ni含量。冷喷用粉体中Ti粉的质量分数为20％～25％，Ti粉的质量分数在这个范围内，可以使冷喷涂混合粉体中的Ti含量达到原位合成CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层所需要的Ti含量，促使CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层内BCC结构组织和FCC结构固溶强化；如果Ti含量过少，会造成混合粉体涂层中的Ti含量少，混合粉体涂层重熔后，涂层内部Ni元素和Cr元素偏析，在涂层内形成Al元素、Si元素和Cu元素的金属间化合物或者单质，无法原位合成CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层；如果Ti含量过多，会造成混合粉体涂层中的Ti含量多，混合粉体涂层重熔后，涂层内部Ti元素偏析，在涂层内形成Ti元素与Al元素、Cu元素和Si元素的金属间化合物，无法原位合成CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层。这种Ti粉的形貌为不规则形状，是因为电解法制备出的粉体材料形貌一般为树枝状，在运输过程或混粉过程中，树枝状Ti粉破碎分解后，就变成了不规则形状；选用不规则形状的Ti粉，其形状有利于Ti粉在冷喷涂过程中发生塑性变形，与周围的颗粒相互锁死形成机械结合，能提高冷喷涂混合粉体涂层的结合强度，能保证混合粉体涂层中的Ti含量，达到重熔原位合成CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层所需要的Ti含量。冷喷用粉体中Cr粉的质量分数为15％～20％，Cr粉的质量分数在这个范围内，可以使冷喷涂混合粉体中的Cr含量达到原位合成CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层所需要的Cr含量，促使CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层内BCC结构组织形成；如果Cr含量过少，会造成混合粉体涂层中的Cr含量少，混合粉体涂层重熔后，涂层内部Ni元素和Ti元素偏析，在涂层内形成Al元素、Si元素和Cu元素的金属间化合物或者单质，无法原位合成CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层；如果Cr含量过多，会造成混合粉体涂层中的Cr含量多，混合粉体涂层重熔后，涂层内部Cr元素偏析，在涂层内形成Cr元素与Al元素、Cu元素和Ti元素的金属间化合物，无法原位合成CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层。这种Cr粉的形貌为不规则多边形状，选用不规则多边形状的Cr粉，能更好的促进冷喷涂混合粉体涂层中的其他金属颗粒塑性变形；能促进基体表面与混合粉体涂层表面活化，增加冷喷涂混合粉体的沉积效率；能保证混合粉体涂层中的Cr含量，达到重熔原位合成CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层所需要的Cr含量。冷喷用粉体中Al粉的质量分数为8％～12％，Al粉的质量分数在这个范围内，可以使冷喷涂混合粉体中的Al含量达到原位合成CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层所需要的Al含量，促使CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层内BCC结构组织形成和FCC固溶强化。如果Al含量过少，会造成混合粉体涂层中的Al含量少，混合粉体涂层重熔后，涂层内部Ni元素和Cu元素偏析，在涂层内形成Cr元素、Ti元素和Cu元素的金属间化合物或者单质金属，无法原位合成CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层；如果Al含量过多，会造成混合粉体涂层中的Al含量多，混合粉体涂层重熔后，涂层内部Al元素偏析，在涂层内形成Al元素与Cr元素、Ni元素和Si元素的金属间化合物，无法原位合成CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层；Al粉选用雾化法制备的类球状形貌的粉体材料，是因为这种Al粉硬度适合用于冷喷涂涂层的制备，能降低冷喷涂混合粉体涂层的孔隙率；这种Al粉形状有利于Al粉在冷喷涂过程中获得较快的速度，从而沉积在基体表面形成涂层，能保证混合粉体涂层中的Al含量，达到重熔原位合成CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层所需要的Al含量。冷喷用粉体中Cu粉的质量分数为10％～15％，Cu粉的质量分数在这个范围内，可以使冷喷涂混合粉体中的Cu含量达到原位合成CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层所需要的Cu含量，促使CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层内FCC结构组织形成和固溶强化；如果Cu含量过少，会造成混合粉体涂层中的Cu含量少，混合粉体涂层重熔后，涂层内部Ni元素和Al元素偏析，在涂层内形成Cr元素、Ti元素和Al元素的金属间化合物或者单质金属，无法原位合成CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层；如果Cu含量过多，会造成混合粉体涂层中的Cu含量多，混合粉体涂层重熔后，涂层内部Cu元素偏析，在涂层内形成Cu元素与Cr元素、Ni元素和Si元素的金属间化合物，无法原位合成CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层；Cu粉是由电解法制备的，形貌是树枝状颗粒的粉体材料，选用这种Cu粉有利于Cu粉在冷喷涂过程中发生塑性变形，与周围的颗粒相互锁死形成机械结合；能提高冷喷涂混合粉体涂层的结合强度，能保证混合粉体涂层中的Cu含量，达到重熔原位合成CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层所需要的Cu含量。Si粉是由破碎法制备的形貌为不规则多边形颗粒的粉体材料，选用这种Si粉能更好的促进冷喷涂混合粉体涂层中的其他金属颗粒塑性变形；能促进基体表面与混合粉体涂层表面活化，增加冷喷涂混合粉体的沉积效率；能保证混合粉体涂层中的Si含量，达到重熔原位合成CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层所需要的Si含量。
本发明的冷喷用粉体的材料的成分与形貌可以确保混合粉体涂层的厚度控制在100μm～4mm；混合粉体涂层进行感应重熔原位合成CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层，其厚度基本保持不变，也为100μm～4mm；在本发明专利提供的方法中，通过控制混合粉体涂层的厚度来控制最终原位合成的CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层厚度，而常规的高熵合金涂层的厚度仅不超过500μm，本发明的CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的厚度能够控制在100μm～4mm，增加了CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的厚度的选择性，厚度的增加能够增加耐磨性，使用热喷涂技术制备的高熵合金涂层，如果厚度大于500μm，高熵合金涂层会因为热应力的作用而整块剥落，无法保护基体。本发明的CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的厚度可以超过500μm，为基体提供长时有效的耐摩擦与耐腐蚀保护。
将S2中得到的混合粉体涂层进行感应重熔原位合成，发生合金化反应后，Ni和Cr两种元素原子半径大小接近，容易形成置换固溶体。混合粉体涂层重熔时开始合金化，以Ni和Cr两种元素为基础形成的面心立方(FCC)结构和体心立方(BCC)结构的固溶体组织；Al元素能促进CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层中的BCC结构产生，另外Al元素的原子半径比较大，当Al原子固溶到CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层中的FCC结构中时，会增大FCC结构的晶格常数，起到固溶强化的作用，能增加CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的硬度。Si元素的原子半径比较小，当Si原子固溶到CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层中的FCC结构和BCC结构中时，会引起FCC结构和BCC结构的晶格常数畸变，起到固溶强化的作用；从而增加CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的硬度和强度以及耐磨性。Cu元素能促进CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层中的FCC结构产生，Cu原子固溶到CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层中的FCC结构中，起到增加CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层塑性的作用。Ti元素可以通过固溶强化作用提高CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的强度和硬度；Ti原子半径比较大，Ti原子固溶到CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层中的FCC结构和BCC中时，会增大FCC结构和BCC结构的晶格常数，起到固溶强化的作用。
优选地，S1中所述冷喷用粉体由以下质量分数的原料制成：Cu粉12％、Al粉7％、Ni粉15％、Cr粉13％、Ti粉25％，余量为Si粉。
优选地，S1中混合的时间为5.5h～6h。
优选地，S1中混合采用机械法搅拌混合。
优选地，S1中所述冷喷用粉体的粒度为10μm～50μm。
优选地，S3中所述CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的厚度为100μm～4mm。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明使用低压冷喷涂技术，将Cu粉、Al粉、Ni粉、Cr粉、Ti粉和Si粉，混合后低压冷喷涂到基体上，得到混合粉体涂层，然后对混合粉体涂层进行感应重熔原位合成，得到CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层；混合粉体涂层中合金化反应充分，混合粉体涂层的微观组织从纯金属原位形成具有面心立方(FCC)结构和体心立方(BCC)结构的CuAlNiCrTiSi高熵合金组织，形成的CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层，组织致密，孔隙率低，高熵合金涂层的高熵合金组织结构稳定、杂质少。CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层主要由FCC结构和BCC结构的固溶体组织构成，其中BCC结构提高涂层的硬度，FCC结构提高涂层的塑性；CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层组织中没有会恶化涂层性能的硬脆金属间化合物；这些因素导致CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层)机械性能优良，具有强度高、硬度高、耐磨和耐腐蚀性能良好的特点；本方法需要的设备简单，工艺方便。
2、CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层成分调整方便；不同的工况，所需的高熵合金涂层成分也有所不同；本发明可以在预制混合粉体涂层时，根据需要调整各原料的百分含量，最终制备出不同成分的高熵合金涂层。
3、目前CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的制备，还没有相关报道。目前已报道的其他成分的高熵合金涂层的制备方法是，使用热喷涂的技术将预制高熵合金粉末材料喷涂到基体表面，制备成高熵合金涂层。使用热喷涂技术制备高熵合金涂层，通过火焰、等离子等热源加热预制高熵合金粉末材料，将半熔融的粉体材料喷射到基体表面形成涂层。采用热喷涂技术制备的涂层孔隙率高，涂层厚度不超过500μm，并且在制备过程中，预制高熵合金粉末材料易氧化，造成涂层内部氧化物杂质较多。热源加热粉体材料时，不可避免的对基体产生热影响，会造成基体氧化、脱碳、变形等负面影响。使用本发明专利提到的方法，制备的CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层，杂质少、致密度高、涂层厚度可以控制在100μm-4mm之间。CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层中的Ni元素形成FCC结构的基础晶格，赋予CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层有较好的塑性；Cr元素形成BCC结构的基础晶格，赋予CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层有较好的硬度和强度。Al元素、Ti元素和Si元素固溶到以Cr元素为基础的BCC结构晶体中，提高CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的硬度；Cu元素固溶到以Ni元素为基础的FCC结构晶体中，提高CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的塑性。Al元素、Ti元素和Si元素还是质量较轻的元素，它们的加入，可以使涂层在相同等级的机械性能条件下，降低涂层的密度。上述原因造成这个元素配方形成的CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层具有良好的强度，同时具有良好的塑性。本发明的CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的厚度为100μm～4mm，可选择性强，可以超过500μm，为基体提供长时有效的耐摩擦与耐腐蚀保护。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例1的冷喷用粉体的微观形貌图。
图2是本发明实施例1的混合粉体涂层的微观形貌图。
图3是本发明实施例1的混合粉体涂层的X射线衍射图。
图4是本发明实施例1的高熵合金涂层的微观组织形貌图。
图5是本发明实施例1的高熵合金涂层的X射线衍射图。
具体实施方式
实施例1
本实施例的原位合成低压冷喷涂CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的制备方法，该方法为：
S1、将Cu粉、Al粉、Ni粉、Cr粉、Ti粉和Si粉，采用机械法搅拌混合5.7h，混合均匀得到冷喷用粉体；所述冷喷用粉体由以下质量分数的原料制成：Cu粉12％、Al粉7％、Ni粉15％、Cr粉13％、Ti粉25％，余量为Si粉；所述Cu粉是由电解法制备的形貌为树枝状颗粒的粉体；所述Al粉是由雾化法制备的形貌为类球状颗粒的粉体；所述Ni粉是由电解法制备的形貌为不规则形状颗粒的粉体；所述Cr粉是由破碎法制备的形貌为不规则多边形颗粒的粉体；所述Ti粉是由电解法制备的形貌为不规则形状颗粒的粉体；所述Si粉是由破碎法制备的形貌为不规则多边形颗粒的粉体；所述冷喷用粉体的粒度为10μm～50μm；
S2、将S1中得到的冷喷用粉体，低压冷喷涂至45钢基体表面，得到混合粉体涂层；所述低压冷喷涂的工艺参数为：工作气体为压缩空气，载气温度为517℃，载气压力为0.73MPa，喷涂距离为23mm，喷涂速度为0.15m/s；
S3、将S2中得到的混合粉体涂层进行感应重熔原位合成，得到厚度为920μm的CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层，所述感应重熔原位合成的工艺参数为：感应线圈与基体的间隙为4.7mm，加热温度为1150℃，加热功率为1.9kW，频率为175kHz，加热时间为37s。
本实施例选择Cu粉、Al粉、Ni粉、Cr粉、Ti粉和Si粉作为原料制备高熵合金涂层，因为Ni、Cr两种元素原子半径大小接近，容易形成置换固溶体。金属Ni的晶体结构是FCC，金属Cr的晶体结构是BCC。CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层以Ni、Cr两种原子半径接近的元素为基础，Ni和Cr两种元素形成相互固溶的FCC结构组织与BCC结构组织。Al元素、Ti元素Si元素和Cu元素在CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层属于添加元素。金属Al的加入会促进CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层中的BCC结构产生，Al元素的原子半径比较大，当Al原子固溶到CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层中的FCC结构中时，会增大FCC结构的晶格常数，起到固溶强化的作用，能增加CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的硬度。金属Ti的加入会显著增加CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的硬度和强度，Ti元素的原子半径比较大，当Ti原子固溶到CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层中的FCC结构和BCC结构中时，会增大FCC结构和BCC结构的晶格常数，起到固溶强化的作用。Si元素的原子半径比较小，当Si原子固溶到CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层中的FCC结构和BCC结构中时，会引起FCC结构和BCC结构的晶格常数畸变，起到固溶强化的作用；从而增加CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的硬度和强度以及耐磨性。金属Cu的加入会促进CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层中的FCC结构产生，起到增加CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层塑性的作用。
将S2中得到的混合粉体涂层进行感应重熔原位合成，发生合金化反应后，Ni和Cr两种元素原子半径大小接近，容易形成置换固溶体。混合粉体涂层重熔时开始合金化，以Ni和Cr两种元素为基础形成的FCC结构和BCC结构的固溶体组织；Al元素能促进CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层中的BCC结构产生，另外Al元素的原子半径比较大，当Al原子固溶到CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层中的FCC结构中时，会增大FCC结构的晶格常数，起到固溶强化的作用，能增加CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的硬度。Si元素的原子半径比较小，当Si原子固溶到CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层中的FCC结构和BCC结构中时，会引起FCC结构和BCC结构的晶格常数畸变，起到固溶强化的作用；从而增加CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的硬度和强度以及耐磨性。Cu元素能促进CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层中的FCC结构产生，Cu原子固溶到CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层中的FCC结构中，起到增加CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层塑性的作用。Ti元素可以通过固溶强化作用提高CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的强度和硬度；Ti原子半径比较大，Ti原子固溶到CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层中的FCC结构和BCC中时，会增大FCC结构和BCC结构的晶格常数，起到固溶强化的作用。
图1是冷喷用粉体的微观形貌图，图2是混合粉体涂层的微观形貌图，图3是混合粉体涂层的X射线衍射图，图4是高熵合金涂层的微观组织形貌图，图5是高熵合金涂层的X射线衍射图。由图1可知，Al粉的形貌为类球状颗粒的粉体，Ni粉的形貌为不规则形状颗粒的粉体；Cr粉的形貌为不规则多边形颗粒的粉体；Cu粉的形貌为树枝状颗粒的粉体；Ti粉的形貌为不规则形状颗粒的粉体；Si粉的形貌为不规则多边形颗粒的粉体。本实施例的冷喷用粉体的材料的成分与形貌可以确保混合粉体涂层的厚度为920μm；混合粉体涂层进行感应重熔原位合成NiCoCrAlCu高熵合金涂层，其厚度基本保持不变，也为920μm；在本发明专利提供的方法中，通过控制混合粉体涂层的厚度来控制最终原位合成的CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层厚度。由图2可知，混合粉体涂层的结构较致密，没有明显的孔洞与裂纹，各金属粉的金属颗粒都发生了塑性变形，金属颗粒之间有明显的界限，根据测量，混合粉体涂层的孔隙率0.4％，结合强度为29Mpa，涂层硬度为115HV，对应图3的混合粉体涂层的X射线衍射图，可以确定涂层中的金属颗粒没有发生氧化与扩散，其相结构依然是单质金属的相结构，经过感应重熔原位合成后，得到了CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层，CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的X射线衍射图如图5所示。由图4可知，单质金属元素原位合成了CuAlNiCrTiSi高熵合金，感应重熔原位合成后混合粉体涂层在45钢基体表面发生了合金化，使得金属合金化的组织更为致密，组织结构均匀化较好，各金属元素扩散均匀，得到的CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层中合金化反应充分，微观组织从纯金属组织转变为具有面心立方(FCC)和体心立方(BCC)结构的CuAlNiCrTiSi高熵合金组织，感应重熔原位合成的CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层不仅密度高，缺陷少，且达到了原位合成合金化的效果，从图2中可以看出，低压冷喷后的混合粉体涂层中均为单质金属元素；从图4中可以看出，混合粉体涂层重熔后，混合粉体涂层中的单质金属元素原位合成了具有面心立方(FCC)和体心立方(BCC)结构的CuAlNiCrTiSi高熵合金组织，相比于低压冷喷后得到的混合粉体涂层性能有所提升，孔隙率为0％，结合强度为142MPa，涂层硬度546HV，CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的厚度为920μm。本实施例的CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的厚度为920μm，增加了CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的厚度的选择性，厚度的增加能够增加耐磨性，使用热喷涂技术制备的高熵合金涂层，如果厚度大于500μm，高熵合金涂层会因为热应力的作用而整块剥落，无法保护基体。本实施例的CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的厚度可以超过500μm，为基体提供长时有效的耐摩擦与耐腐蚀保护。
而采用高熵合金粉末热喷涂制备的高熵合金涂层，孔隙率为1％～3.5％，孔隙率大，涂层与金属基体的结合强度仅为50Mpa～80Mpa，涂层厚度小于500μm，涂层机械性能不佳，并且使用热喷涂技术，将半熔融的高熵合金粉末喷射到金属基体表面，在这个过程中，高熵合金粉末易氧化，造成形成的涂层内部氧化物杂质较多，并且热源加热高熵合金粉末时，不可避免的对基体产生热影响，会造成基体氧化、脱碳、相变等负面影响；并且孔隙率高，孔隙率、氧化物杂质、基体氧化、基体脱碳等因素会造成涂层机械性能下降，影响涂层的质量和使用寿命。
实施例2
本实施例的原位合成低压冷喷涂CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的制备方法，该方法为：
S1、将Cu粉、Al粉、Ni粉、Cr粉、Ti粉和Si粉，采用机械法搅拌混合5.5h，混合均匀得到冷喷用粉体；所述冷喷用粉体由以下质量分数的原料制成：Cu粉10％、Al粉6％、Ni粉12％、Cr粉15％、Ti粉25％，余量为Si粉；所述Cu粉是由电解法制备的形貌为树枝状颗粒的粉体；所述Al粉是由雾化法制备的形貌为类球状颗粒的粉体；所述Ni粉是由电解法制备的形貌为不规则形状颗粒的粉体；所述Cr粉是由破碎法制备的形貌为不规则多边形颗粒的粉体；所述Ti粉是由电解法制备的形貌为不规则形状颗粒的粉体；所述Si粉是由破碎法制备的形貌为不规则多边形颗粒的粉体；所述冷喷用粉体的粒度为10μm～50μm；
S2、将S1中得到的冷喷用粉体，低压冷喷涂至45钢基体表面，得到混合粉体涂层；所述低压冷喷涂的工艺参数为：工作气体为压缩空气，载气温度为515℃，载气压力为0.72MPa，喷涂距离为24mm，喷涂速度为0.2m/s；
S3、将S2中得到的混合粉体涂层进行感应重熔原位合成，得到厚度为4mm的CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层，所述感应重熔原位合成的工艺参数为：感应线圈与45钢基体的间隙为4.5mm，加热温度为1200℃，加热功率为2.0kW，频率为175kHz，加热时间为35s。
本实施例制备的CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的孔隙率为0％，结合强度为147MPa，涂层硬度为559HV，CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的厚度为4mm。
实施例3
本实施例的原位合成低压冷喷涂CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的制备方法，该方法为：
S1、将Cu粉、Al粉、Ni粉、Cr粉、Ti粉和Si粉，采用机械法搅拌混合6h，混合均匀得到冷喷用粉体；所述冷喷用粉体由以下质量分数的原料制成：Cu粉15％、Al粉10％、Ni粉17％、Cr粉10％、Ti粉20％，余量为Si粉；所述Cu粉是由电解法制备的形貌为树枝状颗粒的粉体；所述Al粉是由雾化法制备的形貌为类球状颗粒的粉体；所述Ni粉是由电解法制备的形貌为不规则形状颗粒的粉体；所述Cr粉是由破碎法制备的形貌为不规则多边形颗粒的粉体；所述Ti粉是由电解法制备的形貌为不规则形状颗粒的粉体；所述Si粉是由破碎法制备的形貌为不规则多边形颗粒的粉体；所述冷喷用粉体的粒度为10μm～50μm；
S2、将S1中得到的冷喷用粉体，低压冷喷涂至45钢基体表面，得到混合粉体涂层；所述低压冷喷涂的工艺参数为：工作气体为压缩空气，载气温度为520℃，载气压力为0.71MPa，喷涂距离为21mm，喷涂速度为0.15m/s；
S3、将S2中得到的混合粉体涂层进行感应重熔原位合成，得到厚度为670μm的CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层，所述感应重熔原位合成的工艺参数为：感应线圈与45钢基体的间隙为5mm，加热温度为1100℃，加热功率为2.1kW，频率为175kHz，加热时间为40s。
本实施例制备的CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的孔隙率为0％，结合强度为149MPa，涂层硬度为511HV，CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的厚度为670μm。
实施例4
本实施例的原位合成低压冷喷涂CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的制备方法，该方法为：
S1、将Cu粉、Al粉、Ni粉、Cr粉、Ti粉和Si粉，采用机械法搅拌混合5.5h，混合均匀得到冷喷用粉体；所述冷喷用粉体由以下质量分数的原料制成：Cu粉11％、Al粉8％、Ni粉14％、Cr粉14％、Ti粉23％，余量为Si粉；所述Cu粉是由电解法制备的形貌为树枝状颗粒的粉体；所述Al粉是由雾化法制备的形貌为类球状颗粒的粉体；所述Ni粉是由电解法制备的形貌为不规则形状颗粒的粉体；所述Cr粉是由破碎法制备的形貌为不规则多边形颗粒的粉体；所述Ti粉是由电解法制备的形貌为不规则形状颗粒的粉体；所述Si粉是由破碎法制备的形貌为不规则多边形颗粒的粉体；所述冷喷用粉体的粒度为10μm～50μm；
S2、将S1中得到的冷喷用粉体，低压冷喷涂至45钢基体表面，得到混合粉体涂层；所述低压冷喷涂的工艺参数为：工作气体为压缩空气，载气温度为490℃，载气压力为0.74MPa，喷涂距离为23mm，喷涂速度为0.18m/s；
S3、将S2中得到的混合粉体涂层进行感应重熔原位合成，得到厚度为2mm的CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层，所述感应重熔原位合成的工艺参数为：感应线圈与45钢基体的间隙为4.6mm，加热温度为1180℃，加热功率为2.0kW，频率为175kHz，加热时间为36s。
本实施例制备的CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的孔隙率为0％，结合强度为149MPa，涂层硬度为553HV，CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的厚度为2mm。
实施例5
本实施例的原位合成低压冷喷涂CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的制备方法，该方法为：
S1、将Cu粉、Al粉、Ni粉、Cr粉、Ti粉和Si粉，采用机械法搅拌混合6h，混合均匀得到冷喷用粉体；所述冷喷用粉体由以下质量分数的原料制成：Cu粉14％、Al粉8％、Ni粉16％、Cr粉14％、Ti粉22％，余量为Si粉；所述Cu粉是由电解法制备的形貌为树枝状颗粒的粉体；所述Al粉是由雾化法制备的形貌为类球状颗粒的粉体；所述Ni粉是由电解法制备的形貌为不规则形状颗粒的粉体；所述Cr粉是由破碎法制备的形貌为不规则多边形颗粒的粉体；所述Ti粉是由电解法制备的形貌为不规则形状颗粒的粉体；所述Si粉是由破碎法制备的形貌为不规则多边形颗粒的粉体；所述冷喷用粉体的粒度为10μm～50μm；
S2、将S1中得到的冷喷用粉体，低压冷喷涂至45钢基体表面，得到混合粉体涂层；所述低压冷喷涂的工艺参数为：工作气体为压缩空气，载气温度为530℃，载气压力为0.70MPa，喷涂距离为22mm，喷涂速度为0.16m/s；
S3、将S2中得到的混合粉体涂层进行感应重熔原位合成，得到厚度为100μm的CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层，所述感应重熔原位合成的工艺参数为：感应线圈与45钢基体的间隙为4.8mm，加热温度为1130℃，加热功率为2.1kW，频率为175kHz，加热时间为38s。
本实施例制备的CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的孔隙率为0％，结合强度为142MPa，涂层硬度为537HV，CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的厚度为100μm。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (6)
1.一种原位合成低压冷喷涂CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，该方法为：
S1、将Cu粉、Al粉、Ni粉、Cr粉、Ti粉和Si粉，混合均匀得到冷喷用粉体；所述冷喷用粉体由以下质量分数的原料制成：Cu粉10％～15％、Al粉6％～10％、Ni粉12％～17％、Cr粉10％～15％、Ti粉20％～25％，余量为Si粉；所述Cu粉是由电解法制备的形貌为树枝状颗粒的粉体；所述Al粉是由雾化法制备的形貌为类球状颗粒的粉体；所述Ni粉是由电解法制备的形貌为不规则形状颗粒的粉体；所述Cr粉是由破碎法制备的形貌为不规则多边形颗粒的粉体；所述Ti粉是由电解法制备的形貌为不规则形状颗粒的粉体；所述Si粉是由破碎法制备的形貌为不规则多边形颗粒的粉体；
S2、将S1中得到的冷喷用粉体，低压冷喷涂至金属基体表面，得到混合粉体涂层；所述低压冷喷涂的工艺参数为：工作气体为压缩空气，载气温度为490℃～530℃，载气压力为0.70MPa～0.74MPa，喷涂距离为21mm～24mm，喷涂速度为0.15m/s～0.2m/s；
S3、将S2中得到的混合粉体涂层进行感应重熔原位合成，得到CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层，所述感应重熔原位合成的工艺参数为：感应线圈与基体的间隙为4.5mm～5mm，加热温度为1100℃～1200℃，加热功率为1.9kW～2.1kW，频率为175kHz，加热时间为35s～40s。
2.根据权利要求1所述的一种原位合成低压冷喷涂CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，S1中所述冷喷用粉体由以下质量分数的原料制成：Cu粉12％、Al粉7％、Ni粉15％、Cr粉13％、Ti粉25％，余量为Si粉。
3.根据根据权利要求1所述的一种原位合成低压冷喷涂CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，S1中混合的时间为5.5h～6h。
4.根据权利要求1所述的一种原位合成低压冷喷涂CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，S1中混合采用机械法搅拌混合。
5.根据权利要求1所述的一种原位合成低压冷喷涂CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，S1中所述冷喷用粉体的粒度为10μm～50μm。
6.根据权利要求1所述的一种原位合成低压冷喷涂CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，S3中所述CuAlNiCrTiSi高熵合金涂层的厚度为100μm～4mm。
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