CN111304646B - 一种等离子合金化制备氮化物增强高熵合金涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种等离子合金化制备氮化物增强高熵合金涂层的方法。在低碳钢表面采用等离子束在混有5%~10%氮气的氩气保护下加热合金化由一定比例的Ni‑Cr‑B‑Si、Cu、Ti、CeO2组成的混合粉，其中混合气作保护气和离子气。在合金化过程中，混合气中的氮被电离活化后与熔池中的Cr、Ti反应形成氮化物，该氮化物细小、弥散，而且添加的CeO2能阻止晶粒长大，从而使晶粒细化，提高涂层的强韧性，此外，由于高熵合金的迟滞效应，初生的Cr7C3晶粒细小，并且在合金化过程中低碳钢表面少量熔化的铁会进入高熵合金涂层中，最后在低碳钢基体表面形成了由CrN、TiN、Cr7C3增强的CrCuFeNiTi高熵合金涂层。
Description
技术领域
本发明属于高能束表面处理领域，特别涉及采用等离子合金化制备耐磨复合涂层的方法。
背景技术
低碳钢的含碳量较低，具有较低的强度和硬度，冷成形性能良好，同时具有较好的塑性和韧性，并且具有良好的焊接性，在制造业的领域中获得了广泛的应用。但由于低碳钢表面的硬度较低，耐磨性较差，使得它在实际应用中受到了一些限制，通过改善其表面性能可以获得较好的硬度和耐磨性。高熵合金是由五个以上的组元按照等原子比或接近于等原子比合金化的合金，高熵合金能形成固溶强化的固溶体，相对于传统合金具备一些优异性能，如高硬度、高韧性、高耐磨耐腐蚀性、高强度等，特别适合于制备涂层。另外，CrN（1750HV）、TiN（2300 HV）等氮化物具有极高的硬度和惰性，这些氮化物弥散分布在高熵合金涂层上，有利于增强高熵合金涂层的硬度和耐磨性。采用等离子合金化是将合金粉末涂覆到低碳钢基体表面，利用等离子束加热使合金粉末和低碳钢基体表面同时熔化，低碳钢基体表面少量熔化的铁与熔化的合金粉末实现熔融合金化，形成含有铁元素的高熵合金涂层。等离子合金化设备简单，所需的粉末量少，能够节约成本。在合金化过程中，混合气中的氮被电离活化后与熔池中的Cr、Ti反应形成CrN、TiN，该氮化物以及合金化过程中原先的增强相Cr7C3都能够进一步提高涂层的硬度和耐磨性。另外，合金化粉末中添加的CeO2能在结晶前沿产生富集，阻止晶粒长大，从而使更加晶粒细化，进一步提高涂层的强韧性。
发明内容
本发明在等离子合金化过程中，低碳钢基体表面少量熔化的铁会溶入高熵合金涂层，充当高熵合金中一种组元的作用，并且改变过去采用单纯的氩气作保护气和电离气，在氩气中添加适量的氮气作工作气体，混合气中的氮被电离活化后与熔池中的Cr、Ti反应形成细小、弥散的氮化物，而且由于高熵合金的迟滞作用初生的Cr7C3晶粒细小，最后氮化物和Cr7C3弥散分布在高熵合金涂层上，能够进一步提高涂层的硬度和耐磨性。另外，在合金化过程中添加的CeO2能在熔池的结晶前沿产生富集，阻止晶粒长大，从而使晶粒更加细化，进一步提高涂层的强韧性。
本发明所采用的制作方法包括下述工艺步骤：
步骤一、选取要表面合金化的低碳钢表面作为基体，对其表面进行预处理，用砂轮或砂纸打磨低碳钢表面进行除锈，用酒精或丙酮去除基体表面的油污。
步骤二、将Ni-Cr-B-Si、Cu、Ti、CeO2按一定比例组成混合粉，并用球磨机进行球磨混合，所用粉末粒径为30~240 μm，其中Ni-Cr-B-Si成分的质量百分比为Cr:15~18，B:2.5~4.5，Si:3~4.5，C:0.6~1，其余为Ni；Cu粉、CeO2粉的纯度均高于99.5%；Ti粉纯度高于99%；混合粉Ni-Cr-B-Si、Cu、Ti、CeO2的质量百分比为：48~52:25~30:14~20:2~5。然后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2.8~3.4:1，密封后打开真空阀抽真空30~40分钟，将球磨罐放入行星式球磨机，转速为280~300 r/min，倒向频率40~50 Hz，进行球磨混料时间为60~80分钟。
步骤三、将混合粉与压敏胶按1:1.2~1.4重量比例混合制成待合金化粉，将其涂覆到低碳钢基体表面，厚度为2~4 mm，宽度为8~10 mm，在120~140 ℃烘干1.5~2 h。
步骤四、采用等离子束对混合粉加热进行合金化，冷却后即为耐磨涂层。其中的合金化工艺包括：采用混有5%~10% 氮气的氩气作为保护气及电离气体，合金化电流为110~160 A，工作电压30~60 V，扫描速度为4~6 mm/s，作保护气的混合气流量为0.8~1.2 m3/h，作电离气的混合气流量为0.9~1.4 m3/h，喷嘴距待处理表面的距离为0.8~1.2 cm。
本发明的有益效果是：
（1）本发明在等离子合金化过程中，低碳钢基体表面少量熔化的铁与熔化的合金粉末形成高熵合金，混合气中的氮被电离活化，并与熔池中的Cr、Ti反应形成氮化物增强相CrN、TiN，这些氮化物细小、弥散，此外，由于高熵合金的迟滞扩散效应使原先的增强相Cr7C3的尺寸降低，具有晶粒细小的特点，最后氮化物和Cr7C3弥散分布在CrCuFeNiTi高熵合金涂层上，能够进一步提高涂层的硬度和耐磨性。
（2）本发明采用的Ni-Cr-B-Si预合金粉，具有熔点低、成分均匀、成本低的优点，易于实现合金化。
（3）本发明合金化粉末中添加的CeO2能在结晶前沿产生富集，阻止晶粒长大，从而使晶粒更加细化，进一步提高涂层的强韧性。
（4）本发明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、强度和耐磨性。
具体实施方式
实施例1：
步骤一、选取Q235钢表面作为基体，对其基体表面进行预处理，用砂轮或砂纸打磨基体表面除锈，用酒精或丙酮去除基体表面的油污。
步骤二、将Ni-Cr-B-Si、Cu、Ti、CeO2组成混合粉，其粉末粒径为30~240 μm，其中Ni-Cr-B-Si成分的质量百分比为Cr:15~18，B:2.5~4.5，Si:3~4.5，C:0.6~1，其余为Ni；Cu粉、CeO2粉的纯度均高于99.5%；Ti粉纯度高于99%；混合粉Ni-Cr-B-Si、Cu、Ti、CeO2的质量百分比为：52:30:14:4。然后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2.8:1，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50 Hz，进行球磨混料时间为80分钟。
步骤三、将混合粉与压敏胶按1:1.2重量比例混合制成待合金化粉，将其涂覆到Q235钢基体表面，厚度为4 mm，宽度为10 mm，在140 ℃烘干2 h。
步骤四、采用等离子束对混合粉加热进行合金化，冷却后即为耐磨涂层。工艺参数设置为：采用混有5% 氮气的氩气作为保护气及电离气体，合金化电流为160 A，工作电压60V，扫描速度为6 mm/s，作保护气的混合气流量为1.2 m3/h，作电离气的混合气流量为1.4m3/h，喷嘴距待处理表面的距离为1.2 cm。
结果表明，在Q235钢基体表面形成了由CrN、TiN、Cr7C3增强的CrCuFeNiTi高熵合金涂层，其中细小的增强相弥散分布于涂层中，涂层表面形貌较光滑、基本无气孔、裂纹等缺陷，涂层厚度大约为530 μm。与基体形成了冶金结合，提高耐磨性5.8倍。
实施例2：
步骤一、选取Q215钢表面作为基体，对其表面进行预处理，用砂轮或砂纸打磨基体表面除锈，用酒精或丙酮去除基体表面的油污。
步骤二、将Ni-Cr-B-Si、Cu、Ti、CeO2组成混合粉，其粉末粒径在80~210 μm，其中Ni-Cr-B-Si成分的质量百分比为Cr:15~18，B:2.5~4.5，Si:3~4.5，C:0.6~1，其余为Ni；Cu粉、CeO2粉的纯度均高于99.5%；Ti粉纯度高于99%；混合粉Ni-Cr-B-Si、Cu、Ti、CeO2的质量百分比为：50:28:20:2。然后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3:1，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290 r/min，倒向频率45 Hz，进行球磨混料时间为70分钟。
步骤三、将混合粉与压敏胶按1:1.3重量比例混合制成待合金化粉，将其涂覆到Q215钢基体表面，厚度为3 mm，宽度为9 mm，在130 ℃烘干1.7 h。
步骤四、采用等离子束对混合粉加热进行合金化，冷却后即为耐磨涂层。工艺参数设置为：采用混有8% 氮气的氩气作为保护气及电离气体，合金化电流为130 A，工作电压45V，扫描速度为5 mm/s，作保护气的混合气流量为1 m3/h，作电离气的混合气流量为1.2 m3/h，喷嘴距待处理表面的距离为1 cm。
结果表明，在Q215钢基体表面形成了形貌较光滑的涂层，由组织为细小的CrN、TiN、Cr7C3增强相弥散分布于CrCuFeNiTi高熵合金，涂层基本无气孔、裂纹等缺陷，涂层厚度大约为480 μm。与基体形成了冶金结合，提高耐磨性5.3倍。
实施例3：
步骤一、选取Q195钢表面作为基体，对其基体表面进行预处理，用砂轮或砂纸打磨基体表面除锈，用酒精或丙酮去除基体表面的油污。
步骤二、将Ni-Cr-B-Si、Cu、Ti、CeO2组成混合粉，其粉末粒径为80~240 μm，其中Ni-Cr-B-Si成分的质量百分比为Cr:15~18，B:2.5~4.5，Si:3~4.5，C:0.6~1，其余为Ni；Cu粉、CeO2粉的纯度均高于99.5%；Ti粉纯度高于99%；混合粉Ni-Cr-B-Si、Cu、Ti、CeO2的质量百分比为：48:29:18:5。然后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3.4:1，密封后打开真空阀抽真空40分钟，将球磨罐放入行星式球磨机，转速为300 r/min，倒向频率40 Hz，进行球磨混料时间为60分钟。
步骤三、将混合粉与压敏胶按1:1.4重量比例混合制成待合金化粉，将其涂覆到Q195钢基体表面，厚度为2 mm，宽度为8 mm，在120 ℃烘干1.5 h。
步骤四、采用等离子束对混合粉加热进行合金化，冷却后即为耐磨涂层。工艺参数设置为：采用混有10% 氮气的氩气作为保护气及电离气体，合金化电流为110 A，工作电压30 V，扫描速度为4 mm/s，作保护气的混合气流量为0.8 m3/h，作电离气的混合气流量为0.9 m3/h，喷嘴距待处理表面的距离为0.8 cm。
结果表明，在Q195钢基体表面形成了由CrN、TiN、Cr7C3增强的CoCrCuNiTi高熵合金涂层，涂层形貌光滑、基本无气孔、裂纹等缺陷，涂层厚度大约为440 μm。与基体形成了冶金结合，提高耐磨性4.9倍。
Claims (3)
1.一种等离子合金化制备氮化物增强高熵合金涂层的方法，其特征在于，所述的方法包括下述工艺步骤：
步骤一、选取将要合金化的低碳钢作为基体，对其表面进行预处理，用砂轮或砂纸打磨低碳钢基体表面除锈，用酒精或者丙酮去除低碳钢基体表面的油污；
步骤二、将Ni-Cr-B-Si、Cu、Ti、CeO2按一定比例组成混合粉，并用球磨机进行球磨混合，所用粉末粒径在30~240μ m ，其中Ni-Cr-B-Si成分的质量百分比为Cr:15~18，B:2.5~4.5，Si:3~4.5，C:0.6~1，其余为Ni；Cu粉、CeO2粉的纯度均高于99.5%；Ti粉纯度高于99%；混合粉Ni-Cr-B-Si、Cu、Ti、CeO2的质量百分比为：48~52:25~30:14~20:2~5；
步骤三、将混合粉与压敏胶按1:1.2~1.4重量比例混合制成待合金化粉，将其涂覆到低碳钢基体表面，进行烘干；
步骤四、采用等离子束对混合粉加热进行合金化，冷却后即为耐磨涂层，其中合金化工艺参数为：采用混有5%~10%氮气的氩气作保护气及电离气体，合金化电流为110~160A，工作电压30~60V，扫描速度为4~6mm/s，混合气作保护气的流量为0.8~1.2m3/h，混合气作电离气的流量为0.9~1.4m3/h，喷嘴距待处理表面的距离为0.8~1.2cm。
2.根据权利要求1所述的一种等离子合金化制备氮化物增强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，其中的磨球与混合粉质量比为2.8~3.4:1，密封后打开真空阀抽真空30~40分钟，将球磨罐放入行星式球磨机，转速为280~300 r/min，倒向频率40~50 Hz，进行球磨混料时间为60~80分钟。
3.根据权利要求1所述的一种等离子合金化制备氮化物增强高熵合金涂层的方法，其特征在于：所述的涂覆厚度为2~4mm，宽度为8~10 mm，在120~140℃烘干1.5~2h。
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2020
- 2020-02-29 CN CN202010132851.7A patent/CN111304646B/zh active Active
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