CN110835754A - 一种碳钢表面高熵合金涂层的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳钢表面超声滚压复合高速激光熔覆技术制备高熵合金涂层的方法，首先利用高速激光熔覆技术在碳钢表面制备高熵合金涂层，通过有效控制熔覆稀释率，保证了涂层高熵合金成分的完整性，之后再利用超声滚压进一步对涂层进行处理，以消除熔覆层内部的残余应力，同时使涂层表层晶粒细化，形成致密的高熵合金涂层，与基体相比，涂层表面硬度、耐磨性提高了约1~1.5倍，耐蚀性提高了2~2.5倍，此表面复合改性技术先进，生产效率高，工艺流程短，数据翔实精确，熔覆层与基体结合牢固，不易脱落，所获涂层性能优异，安全稳定可靠，节能环保，易实现自动化加工，是十分理想的碳钢表面改性方法。

Description

一种碳钢表面高熵合金涂层的制备方法

技术领域

本发明涉及一种碳钢表面高熵合金涂层的制备方法，属金属材料表面改性的技术领域，特指高速激光熔覆与超声滚压技术复合制备高熵合金涂层的加工方法。

背景技术

高熵合金是一种新型合金，摒弃了传统合金单一主元元素的设计理念，采用多种主元元素，每种元素含量为5%~35%，使得内部混乱度很高但整体很稳定，其内部不易形成金属间化合物，而是形成单一的固溶体相，这样的设计理念使得高熵合金具有很优异的性能。

碳钢是近代工业中使用最早、用量最大的基础材料，虽然具有很多优点，但因服役环境的变化，其表面耐腐蚀性、耐磨性能差，使其应用受到了很大局限。

目前，碳钢表面改性有多种方法，例如气相沉积涂层、表面扩渗合金化、化学表面处理法、镀层处理法、机械表面处理法、激光表面熔覆等，其中激光表面熔覆技术是目前最为先进、高效的改性方法之一。

与传统技术相比，激光熔覆技术是利用高能激光束熔化基材与熔覆粉末材料，使二者形成冶金结合，从而达到强化基材的表面性能，激光束比较集中，熔池以及热影响区较小，基材与熔覆层结合良好，熔覆层致密，孔隙率低，夹渣含量较少。

但是普通激光熔覆技术在碳钢表面制备高熵合金涂层时，由于其无法有效的控制稀释率，使得基材中大量的合金元素与高熵合金涂层结合，从而改变了高熵合金的组成成分，使得所制备的涂层性能变差，且熔覆层易产生残余应力，同时粉末利用率低，后续车削、打磨加工量较大，不仅造成了原材料的浪费，同时也降低了生产效率。

发明内容

发明目的

本发明的目的是针对背景技术的现状与不足，提出在碳钢表面采用高速激光熔覆与超声滚压复合技术，制备FeCrCoNiMn高熵合金涂层，以期大幅度提高碳钢的表面性能。

技术方案

本发明碳钢表面高速激光熔覆与超声滚压复合制备高熵合金涂层方法如下：

（1）精选材料

①基体材料为45#钢制成的圆柱形棒材；

②熔覆粉末为FeCrCoNiMn高熵合金粉末，组成及质量分数为：19.68%Fe、12.23%Co、18.81%Cr、19.14%Mn、0.0091%N、0.0839%O，粉末粒度范围为：15~53μm；

（2）45#钢基材预处理

①对基材45#钢进行除锈，在喷砂机上，用石英砂喷砂粗化处理碳钢棒工作表面，表面粗糙度为R_a2.5-5.0μm；

②用无水乙醇擦洗碳素钢板工作表面，擦洗后晾干；

（3）碳钢表面高速激光熔覆高熵合金粉末

①将柱状碳钢棒材夹持在激光熔覆设备变位机的夹持端，然后用顶尖顶紧，固定好；

②将激光熔覆头对准碳钢熔覆起始点，调整激光束聚焦距离，根据光斑大小调节激光头位置，使其聚焦于熔覆层上表面；

③填加熔覆粉末

将高熵合金粉末倒入送粉器中，并联结氩气导管、氩气瓶；

④开启氩气瓶， 氩气纯度为99.999%；

⑤开启送粉器，调节送粉速度为26g/min；

⑥开启激光器，调节激光熔覆功率为800W，光斑直径为3mm，采用双侧同步送粉的方式，激光头沿基材轴向方向做进给运动，基材做高速旋转运动，转速为35 rpm，扫描速度为104mm/s，搭接率为40%，稀释率控制在3%~10%；

⑦熔覆完毕后，关闭激光器，关闭送粉器，关闭保护气体，关闭冷却系统；待构件冷却至室温；

（4）超声滚压强化处理

①对熔覆层表面处理进行简单打磨，获得较为光滑均匀平整的熔覆层表面，其粗糙度应小于1.5μm；

②超声滚压强化处理，通过调控滚压头控制按钮，将滚压头置于熔覆层起始段，沿基材轴向方向做进给运动，调整最佳超声滚压工艺参数，转速为150 rpm，超声频率为30000Hz，滚压道次为3道，压入量为20μm；

③待滚压完成后，关闭滚压头控制开关，停止滚压，取下试样，滚压后的表面粗糙度高达0.238μm，无需后续加工。

本发明首先利用高速激光熔覆技术在碳钢表面制备高熵合金涂层，通过有效控制熔覆稀释率，保证了涂层高熵合金成分的完整性，之后再利用超声滚压进一步对涂层进行处理，以消除熔覆层内部的残余应力，同时使涂层表层晶粒细化，形成致密的高熵合金涂层。

还包括步骤（5）检测、分析、表征

对超声滚压前后的高熵合金涂层的宏观及微观形貌、成分分布、物相、显微硬度、以及耐蚀性进行分析和表征，并与基体进行了对比；

用扫描电镜对高熵合金涂层超声滚压前后的宏观及微观形貌进行了观察分析；

用能谱分析仪对高熵合金涂层超声滚压前后的成分进行了检测分析；

用X射线衍射分析仪对高熵合金涂层超声滚压前后的物相进行了检测分析；

用显微维氏硬度仪对超声滚压前后高熵合金涂层的硬度进行了检测分析；

用电化学工作站对超声滚压高熵合金涂层的抗腐蚀性能进行了检测分析。

结论：通过超声滚压复合高速激光熔覆技术所制备的高熵合金涂层表面成形良好，无气孔夹渣等缺陷，所得表面表面粗糙度高达0.238μm，没有明显的熔覆痕迹，无需后续加工；经检测分析可知，涂层保持了高熵合金成分的完整性，与基体相比，其表面硬度和耐磨性均提高了1~1.5倍，耐蚀性提高了2~2.5倍。

有益效果

本发明与背景技术相比具有明显的先进性，在碳钢表面采用超声滚压复合高速激光熔覆技术制备的高熵合金涂层，熔覆速度快，材料利用率高，熔覆涂层与基体达到了良好的冶金结合，无裂纹、气孔等缺陷，同时也保证了高熵合金成分的完整性，可消除了熔覆层内部的残余应力，使其表面硬度和耐磨性均提高了1~1.5倍，耐蚀性提高了2~2.5倍，该技术生产效率高，工艺流程短，数据翔实精确，熔覆层与基体结合牢固，不易脱落，所获涂层性能优异，安全稳定可靠，节能环保，易实现自动化加工，是十分理想的碳钢表面改性方法。

附图说明

图1为碳钢表面超声滚压复合高速激光熔覆制备高熵合金涂层的状态图。

图2为高速激光熔覆涂层横截面的宏观形貌图。

图3为高速激光熔覆涂层横截面不同区域的微观形貌图。

图4为高速激光熔覆高熵合金涂层成分分析图。

图5为超声滚压后高熵合金涂层横截面的宏观形貌图。

图6为超声滚压后高熵合金涂层横截面的微观形貌图。

图7为超声滚压前后高熵合金涂层表面的物相分析图。

图8为超声滚压前后高熵合金涂层的显微硬度图。

图9为超声滚压前后高熵合金涂层极化曲线图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明：

图1所示，为圆柱碳钢棒表面超声滚压复合高速激光熔覆制备高熵合金涂层的状态图，各部位置要正确，按量配比，各工艺参数要严格控制，按序操作。

圆柱碳钢棒工作表面超声滚压复合高速激光熔覆制备高熵合金涂层是在激光-超声复合强化设备上进行的，是通过三爪卡盘和顶尖固定，在氩气保护下首先通过高速激光束照射，之后再用超声滚压强化完成的；

碳钢棒1由变位机3上的三爪卡盘4夹紧，顶尖5顶住，固定好；在设备右侧放置激光发生器6和冷却系统7，激光发生器6由激光控制按钮8来调控，冷却系统由冷却控制按钮9来调控；激光发生器6通过光纤10联接激光熔覆头11，激光熔覆头11的位置通过液晶显示屏12来调控；在变位机3左侧设有氩气瓶13，氩气瓶13联接氩气阀14、氩气管15联接送粉装置16、送粉管17联接激光熔覆头11，高熵合金粉末18装入送粉装置16，通过送粉管17从激光熔覆头11同步输出至碳钢棒1表面形成高熵合金熔覆层2；超声发生装置19通过导线20联接冲击头21，冲击头21固定于激光熔覆头11上。基体材料为45钢，尺寸为Φ60mm×200mm的圆柱形棒材。

图2所示，为碳钢棒表面高速激光熔覆层横截面宏观形貌图，由图可知：熔覆层与基体达到良好的冶金结合，稀释率较低，熔覆层致密性好，基本无裂纹、气孔及夹渣等缺陷。

图3所示，为碳钢棒表面高速激光熔覆层横截面的微观形貌图，由图可知：由基体至熔覆层熔覆层至下而上分别为平面晶、柱状晶及等轴晶，相对基体，晶粒显著细化。

图4所示，为碳钢棒高速激光熔覆层横截面成分分布图，图中可知：在熔覆层上部，其组成成分与原始高熵合金粉末接近，表明熔覆层稀释率低，高熵合金涂层的成分较为完整。

图5所示，为碳钢棒超声滚压复合高速激光熔覆层横截面宏观形貌图，图中可知，超声滚压后，碳钢棒表面光滑平整，经测量，其表面粗糙度高达0.238μm，无需后续加工，可直接使用。

图6所示，为碳钢棒超声滚压复合高速激光熔覆层横截面的微观形貌图，图中可知，超声滚压后，熔覆层近表层发生了严重的塑性变形，颗粒细长，增长方向平行于加工表面。次表层区域出现轻微塑性变形，枝晶生长向加工方向发展，枝晶明显细化。

图7所示，为超声滚压前后高速激光熔覆层的物相图。图中可知，超声滚压前后，熔覆层表层的物相未发生显著变化。

图8所示，为基体与超声滚压前后高速激光熔覆层的硬度图。由图可知，超声滚压复合高速激光熔覆层后最高硬度值为380HV，相比于基体168HV，提高了1~1.5倍。

图9所示，为基体与超声滚压前后高熵合金涂层极化曲线图和腐蚀结果。由图可知，超声滚压复合高速激光熔覆层的电位为-0.249V，基体为-0.693V，电位比基体正移了0.444V，表明其耐蚀性都得到了显著改善。

Claims (3)

1.一种碳钢表面高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）精选材料

①基体材料为45#钢制成的圆柱形棒材；

②熔覆粉末为FeCrCoNiMn高熵合金粉末，组成及质量分数为：19.68%Fe、12.23%Co、18.81%Cr、19.14%Mn、0.0091%N、0.0839%O，粉末粒度范围为：15~53μm；

（2）45#钢基材预处理

①对基材45#钢进行除锈，在喷砂机上，用石英砂喷砂粗化处理碳钢棒工作表面，表面粗糙度为R_a2.5-5.0μm；

②用无水乙醇擦洗碳素钢板工作表面，擦洗后晾干；

（3）碳钢表面高速激光熔覆高熵合金粉末

①将柱状碳钢棒材夹持在激光熔覆设备变位机的夹持端，然后用顶尖顶紧，固定好；

②将激光熔覆头对准碳钢熔覆起始点，调整激光束聚焦距离，根据光斑大小调节激光头位置，使其聚焦于熔覆层上表面；

③填加熔覆粉末

将高熵合金粉末倒入送粉器中，并联结氩气导管、氩气瓶；

④开启氩气瓶， 氩气纯度为99.999%；

⑤开启送粉器，调节送粉速度为26g/min；

⑥开启激光器，调节激光熔覆功率为800W，光斑直径为3mm，采用双侧同步送粉的方式，激光头沿基材轴向方向做进给运动，基材做高速旋转运动，转速为35 rpm，扫描速度为104mm/s，搭接率为40%，稀释率控制在3%~10%；

⑦熔覆完毕后，关闭激光器，关闭送粉器，关闭保护气体，关闭冷却系统；待构件冷却至室温；

（4）超声滚压强化处理

①对熔覆层表面处理进行简单打磨，获得较为光滑均匀平整的熔覆层表面，其粗糙度应小于1.5μm；

②超声滚压强化处理，通过调控滚压头控制按钮，将滚压头置于熔覆层起始段，沿基材轴向方向做进给运动，调整最佳超声滚压工艺参数，转速为150 rpm，超声频率为30000Hz，滚压道次为3道，压入量为20μm；

③待滚压完成后，关闭滚压头控制开关，停止滚压，取下试样，滚压后的表面粗糙度高达0.238μm，无需后续加工。

2.如权利要求1所述的一种碳钢表面高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，还包括步骤（5）检测、分析、表征

对超声滚压前后的高熵合金涂层的宏观及微观形貌、成分分布、物相、显微硬度、以及耐蚀性进行分析和表征，并与基体进行了对比；

用扫描电镜对高熵合金涂层超声滚压前后的宏观及微观形貌进行了观察分析；

用能谱分析仪对高熵合金涂层超声滚压前后的成分进行了检测分析；

用X射线衍射分析仪对高熵合金涂层超声滚压前后的物相进行了检测分析；

用显微维氏硬度仪对超声滚压前后高熵合金涂层的硬度进行了检测分析；

用电化学工作站对超声滚压高熵合金涂层的抗腐蚀性能进行了检测分析。

3.如权利要求1或2所述的一种碳钢表面高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，基体材料为45钢，尺寸为Φ60mm×200mm的圆柱形棒材。

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