CN111172532A - 一种在纯钛板材表面制备中熵合金涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在纯钛板材表面制备中熵合金涂层的方法，包括工件预处理；涂层预置处理：利用有机溶剂将成分为Fe、Ni或Cr、Ni的金属粉末以等摩尔配比混合成糊状，涂覆在预处理后的工件表面，然后将涂敷有金属粉末涂层的工件干燥；对涂层预置处理后的工件进行脉冲激光表面熔覆处理；获得表面具有FeNiTix或CrNiTix中熵合金涂层的工件，其中x＝1～2。本发明提供的在纯钛板材表面制备中熵合金涂层的方法，符合纯钛板材的性能变化规律，可有效改善纯钛板材的显微硬度及强度等力学性能，使其硬化层深度达400‑500μm，且组织更加细小均匀，并且该方法过程操作方便，设备简单，经济实用，技术可靠，效率高，质量稳定，可实现较好的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料表面加工处理技术领域，具体涉及一种在纯钛板材表面制备含Fe、Ti、Ni或Cr、Ti、Ni超硬中熵合金涂层的方法。
背景技术
高熵合金作为近些年发展起来的新型金属材料，采用至少五种元素以等原子摩尔比或近等原子摩尔比组合熔炼而成，同时其构型熵通常会超过1.5R，导致系统自由能显著降低，从而能够形成简单固溶体相。伴随着对高熵合金研究的推进，研究人员进一步研制出了含有更少组元(2-4种)且构型熵在1-1.5R之间的中熵合金，并在进行合适的加工后，可具有比高熵合金更优异的综合力学性能，同时合金元素含量更少，也进一步降低了制造成本，表现出很好的应用前景。
在众多金属结构材料中，钛及其合金具有比强度高、耐腐蚀性能优良、生物相容性好等优点，在航空航天、海洋和化工等领域得到了广泛的应用。然而，由于钛及其合金的硬度小、耐磨损性能较差，在摩擦工况下经常发生表面失效，严重限制了它们的服役可靠性。长期以来，为改善钛及其合金耐磨性能而进行的表面处理引起了众多研究者的关注。这其中，采用高能量密度激光束熔化材料的激光熔覆技术，作为一种操作简便、加工成本较低的现代表面处理技术，因具有加热快，对基体的热效应小，冷却速度高(可达104-106K/s)，熔覆层厚度通常可控(可达1mm以上)等特点，对于提升金属材料的表面性能非常有效，近年来受到了研究者的广泛关注与应用。
目前利用激光熔覆技术在纯钛表面制备一定厚度的中熵合金涂层，以提升其表面性能以及提高其服役可靠性的研究，鲜有报道。1100
发明内容
本发明旨在解决现有技术中存在的上述技术问题，期望提供一种表面处理过程操作方便、设备简单、经济实用、技术可靠、效率高的，在纯钛板材表面获得超硬中熵合金涂层的方法，提高纯钛板材表面的显微硬度、强度及耐磨性能等表面力学性能。
为了实现本发明的上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种在纯钛板材表面制备中熵合金涂层的方法，包括以下步骤：
1)工件预处理：清洁纯钛板材工件的表面，以去除其表面氧化层和油污；
2)涂层预置处理：利用有机溶剂将成分为Fe、Ni或Cr、Ni的金属粉末以等摩尔配比混合成糊状，涂覆在预处理后的工件表面，然后将涂敷有金属粉末涂层的工件干燥；
3)工件的脉冲激光表面熔覆处理：对涂层预置处理后的工件进行脉冲激光表面熔覆处理；
4)取出经脉冲激光表面熔覆处理的工件，将工件的表面打磨平整，获得表面具有FeNiTix或CrNiTix中熵合金涂层的工件，其中x＝1～2，所述中熵合金涂层由Fe、Ni、Ti或Cr、Ni、Ti三种元素组成，涂层构型熵值为1-1.5R(R为气体常数)，其中Cr和Ni或Fe和Ni通过金属粉末引入，Ti通过基体引入。
在本发明的一种优选方案中，所述步骤2)中有机溶剂为聚乙烯醇。
在本发明的一种优选方案中，所述步骤2)中涂层预置处理的工艺参数为：聚乙烯醇的浓度为8-10wt.％；涂层的预置厚度为500-600μm；工件的干燥温度为80-110℃，干燥时间为4-6h。
在本发明的一种优选方案中，所述步骤3)工件的脉冲激光表面熔覆处理包括：采用惰性气体为保护气体，惰性气体流速为3-8L/min，激光功率为50-300W，脉冲宽度为5-8ms，频率为4-8Hz，离焦量为0-2mm，扫描速度为1-5mm/s。
在本发明的一种优选方案中，所述步骤3)工件的脉冲激光表面熔覆处理包括：采用惰性气体为保护气体，所述惰性气体流速为5L/min，激光功率为100W，脉冲宽度为6ms，频率为6Hz，离焦量为0mm，扫描速度为3mm/s。
在本发明的一种优选方案中，所述惰性气体为氩气。
在本发明的一种优选方案中，所述惰性气体为氩气，氩气流速为5L/min，激光功率为100W，脉冲宽度为6ms，频率为6Hz，离焦量为0mm，扫描速度为3mm/s。
在本发明的一种优选方案中，所述步骤4)中，中熵合金涂层由Fe、Ni、Ti或Cr、Ni、Ti三种元素组成，其中Cr和Ni或Fe和Ni具有相同的摩尔分数，Ti与Ni的摩尔比为1～2：1。
在本发明的一种优选方案中，工件表面制备的FeNiTix或CrNiTix中熵合金涂层的厚度为400-500μm。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明使用脉冲激光表面熔覆处理的方法在纯钛板材表面制备一定深度的含Fe、Ti、Ni或含Cr、Ti、Ni的超硬中熵合金涂层，且通过调整激光处理参数和涂层预置厚度对涂层的厚度、微观结构以及性能进行有效控制。
2、本发明制备的中熵合金涂层中的金属元素Fe、Cr、Ni和Ti都属于过渡元素，且原子序数相近，其中Fe/Ni、Cr/Ni具有相近的原子尺寸和电负性，易于形成单一固溶相。其中，Cr和Ni或Fe和Ni通过金属粉末引入，Ti通过基体引入；通过基体引入原子尺寸及电负性差异均较大的Ti，能够进一步引起固溶强化，并形成第二相颗粒达到第二相强化的效果。目前，在纯钛板材表面制备FeNiTi或CrNiTi中熵合金涂层的研究鲜有报道。
3、本发明通过脉冲激光表面熔覆含Fe、Ti、Ni或含Cr、Ti、Ni中熵合金涂层的纯钛板材表面形成枝晶状组织结构，平均晶粒尺寸约1.0μm，同时基体中分布第二相颗粒，硬度高达850～950HV，较纯钛板材基体提升7～8倍。测试结果显示，本发明提供的纯钛板材表面制备含Fe、Ti、Ni或含Cr、Ti、Ni超硬中熵合金涂层的处理方法符合纯钛板材的性能变化规律，可有效改善纯钛板材的显微硬度及强度等力学性能，组织更加细小均匀。
4、本发明的表面处理过程操作方便，设备简单，经济实用，技术可靠，效率高，质量稳定，可实现较好的经济效益。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为本发明激光处理后FeNiTi和CrNiTi涂层的XRD测试结果。
图2a和2b分别为本发明FeNiTi和CrNiTi中熵合金涂层的组织形貌图。
图3a分别为本发明CrNiTi中熵合金涂层的宏观形貌图；图3b为沿图3a中箭头路径方向的EDS线扫描结果图。
图4为本发明涂覆FeNiTi和CrNiTi中熵合金涂层的工件截面的硬度测试结果。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但并不因此而限制本发明。
下述实施例中的实验方法，如无特别说明，均为常规方法。
实施例1
选取制备的2.6×9×17mm的纯钛板材试样，首先依次选用400#、800#、1000#和1200#砂纸将样品打磨至平整光亮，打磨完成后用无水乙醇清洗表面，并吹干工件的表面以去除表面氧化层和油污。将表面清洗干净后的样品置于专用的载具上，利用聚乙烯醇有机溶剂将Fe、Ni金属粉末(Fe、Ni具有相同的摩尔分数)混合成糊状，涂覆在工件表面，然后置于干燥箱中烘干，涂层预置处理的工艺参数为：聚乙烯醇有机溶剂浓度为8wt.％、涂层预置厚度500-600μm；干燥温度为80℃，干燥时间为4h。其中，干燥的温度和干燥时间可进行选择性调整，例如，干燥的温度为80-110℃，干燥时间为4-6h。
将烘干后的样品装夹在专用的夹具上，放入脉冲激光设备的工作室的工位上，并采用纯度为99.9％的氩气作为保护气体。启动脉冲激光设备，加载电压，对纯钛板材的表面进行脉冲激光表面熔覆处理。脉冲激光表面熔覆处理的主要参数为：激光功率100W，脉冲宽度6ms，频率6Hz，离焦量0mm，扫描速度3mm/s。其中，脉冲激光表面熔覆处理的主要工艺参数可进行选择性调整，激光功率可为80-150W，脉冲宽度可为5-10ms，频率可为5-10Hz，离焦量可为0±2mm，扫描速度可为2-5mm/s。最优选地，激光熔覆处理参数为激光功率100W，脉冲宽度6ms，频率6Hz，离焦量0mm，扫描速度3mm/s，在该激光参数下，得到的涂层改性深度、涂层微观结构以及涂层硬度等特性最优。
取出经激光表面熔覆处理的工件，将工件的表面打磨平整，得到涂覆有FeNiTi中熵合金涂层的工件。
脉冲激光处理后FeNiTi中熵合金涂层的XRD测试结果如图1所示，其中图1中曲线A为本实施例中熵合金涂层的物相测试结果，确定本实施例中熵合金涂层由体心立方固溶相和Ti2Ni第二相组成。本实施例中熵合金涂层的微观组织形貌如图2a所示，经测试利用本发明脉冲激光表面熔覆处理方法处理后的纯钛板材表面形成具有枝晶结构组织的改性层，平均晶粒尺寸约1.0μm，基体相分布第二相颗粒，第二相颗粒平均尺寸约300nm，同时改性层平均深度达到400μm。
实施例2
选取制备的2.6×9×17mm的纯钛板材试样，首先依次选用400#、800#、1000#和1200#砂纸将样品打磨至平整光亮，打磨完成后用无水乙醇清洗表面，并吹干工件的表面以去除表面氧化层和油污。将表面清洗干净后的样品置于专用的载具上，利用聚乙烯醇有机溶剂将Cr、Ni金属粉末(Cr、Ni具有相同的摩尔分数)混合成糊状，涂覆在工件表面，然后置于干燥箱中烘干，涂层预置处理的工艺参数为：聚乙烯醇有机溶剂浓度10wt.％、涂层预置厚度500-600μm、干燥温度100℃、干燥时间6h。干燥温度可调整的范围为80-110℃，干燥时间可调整的范围为4-6h。
将烘干后的样品装夹在专用的夹具上，放入脉冲激光设备的工作室的工位上，并采用纯度为99.9％的氩气作为保护气体。启动脉冲激光设备，加载电压，对纯钛板材的表面进行脉冲激光表面熔覆处理。脉冲激光表面熔覆处理的主要参数为：激光功率100W，脉冲宽度6ms，频率6Hz，离焦量0mm，扫描速度3mm/s。其中，脉冲激光表面熔覆处理的主要工艺参数可进行选择性调整，激光功率可为80-150W，脉冲宽度可为5-10ms，频率可为5-10Hz，离焦量可为0±2mm，扫描速度可为2-5mm/s。最优选地，激光熔覆处理参数为激光功率100W，脉冲宽度6ms，频率6Hz，离焦量0mm，扫描速度3mm/s，在该激光参数下，得到的涂层改性深度、涂层微观结构以及涂层硬度等特性最优。
取出经激光表面熔覆处理的工件，将工件的表面打磨平整，得到涂覆有CrNiTi中熵合金涂层的工件。
脉冲激光处理后CrNiTi中熵合金涂层的XRD测试结果如图1所示，其中图1中曲线B为本实例中熵合金涂层的物相测试结果，确定本实施例中熵合金涂层由体心立方固溶相、Ti2Ni第二相和Cr2Ti第二相组成。本实施例中CrNiTi中熵合金涂层的微观组织形貌如图2b所示，经测试利用本发明脉冲激光表面熔覆处理方法处理后的纯钛板材表面形成具有枝晶结构组织的改性层，平均晶粒尺寸约1.0μm，基体相分布第二相颗粒，第二相颗粒平均尺寸约800nm，同时改性层平均深度达到450μm。本实施例中CrNiTix中熵合金涂层的宏观形貌及EDS线扫描结果分别如图3a和3b所示，确定涂层与基体之间实现了良好的冶金结合，三种元素含量相对均匀，Cr：Ni：Ti的摩尔比约为1：1：1～2。
纯钛板材工件基体和实施例1-2的制得的具有涂层的工件的硬度测试结果如图4所示。其中，纯钛基体的硬度为120HV左右，实施例1制得的FeNiTix中熵涂层的工件的平均硬度高达850HV(图4中曲线A表示)，较纯钛基体提升7倍以上。实施例2制得的CrNiTix中熵合金涂层的工件的平均硬度高达950HV(图4中曲线B表示)，较纯钛基体提升近8倍。
本发明在纯钛板材基体上涂覆一种特定的含Ti、Ni中熵合金涂层，通过调整中熵合金的组成成分、涂层预置厚度以及激光熔覆参数等对纯钛板材基体表面涂层进行有效控制。本发明通过脉冲激光表面熔覆将特殊的含Fe、Ti、Ni或含Cr、Ti、Ni中熵合金涂覆在纯钛板材工件表面，所得中熵合金涂层的纯钛板材材料表面形成枝晶状组织结构，平均晶粒尺寸约1.0μm，基体分布第二相颗粒，改性层深度达到500μm，硬度高达850～950HV，较纯钛板材基体提升7～8倍。测试结果显示，本发明提供的激光表面熔覆含Ti、Ni超硬中熵合金涂层的处理方法符合纯钛板材材料的性能变化规律，可有效改善纯钛板材显微硬度及强度等力学性能，使其硬化层深度达400-500μm，且组织更加细小均匀。表面处理过程操作方便，设备简单，经济实用，技术可靠，效率高，质量稳定，可实现较好的经济效益。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种在纯钛板材表面制备中熵合金涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)工件预处理：清洁纯钛板材工件的表面；
2)涂层预置处理：利用有机溶剂将成分为Fe、Ni或Cr、Ni的金属粉末以等摩尔配比混合成糊状，涂覆在预处理后的工件表面，然后将涂敷有金属粉末涂层的工件干燥；
3)工件的脉冲激光表面熔覆处理：对涂层预置处理后的工件进行脉冲激光表面熔覆处理；
4)取出经脉冲激光表面熔覆处理的工件，获得表面具有FeNiTix或CrNiTix中熵合金涂层的工件，其中x＝1～2。
2.如权利要求1所述的一种在纯钛板材表面制备中熵合金涂层的方法，其特征在于，所述步骤2)中有机溶剂为聚乙烯醇。
3.如权利要求2所述的一种在纯钛板材表面制备中熵合金涂层的方法，其特征在于，所述步骤2)中涂层预置处理的工艺参数为：聚乙烯醇的浓度为8-10wt.％；涂层的预置厚度为500-600μm；工件的干燥温度为80-110℃，干燥时间为4-6h。
4.如权利要求1所述的一种在纯钛板材表面制备中熵合金涂层的方法，其特征在于，所述步骤3)工件的脉冲激光表面熔覆处理包括：采用惰性气体为保护气体，惰性气体流速为3-7L/min，激光功率为80-150W，脉冲宽度为5-10ms，频率为5-10Hz，离焦量为0±2mm，扫描速度为2-5mm/s。
5.如权利要求4所述的一种在纯钛板材表面制备中熵合金涂层的方法，其特征在于，所述步骤3)工件的脉冲激光表面熔覆处理包括：采用惰性气体为保护气体，所述惰性气体流速为5L/min，激光功率为100W，脉冲宽度为6ms，频率为6Hz，离焦量为0mm，扫描速度为3mm/s。
6.如权利要求5所述的一种在纯钛板材表面制备中熵合金涂层的方法，其特征在于，所述惰性气体为氩气。
7.如权利要求1所述的一种在纯钛板材表面制备中熵合金涂层的方法，其特征在于，所述步骤4)的中熵合金涂层由Fe、Ni、Ti或Cr、Ni、Ti三种元素组成，其中Cr和Ni或Fe和Ni具有相同的摩尔分数，Ti与Ni的摩尔比为1～2：1。
8.如权利要求1所述的一种在纯钛板材表面制备中熵合金涂层的方法，其特征在于，工件表面制备的FeNiTix或CrNiTix中熵合金涂层的厚度为400-500μm。
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