CN111593339B

CN111593339B - 含有纳米碳化钽的多层高熵合金激光熔覆层及其制备方法

Info

Publication number: CN111593339B
Application number: CN202010318940.0A
Authority: CN
Inventors: 黄晋培; 李忠文; 章奇
Original assignee: Shanghai University of Engineering Science
Current assignee: Shanghai University of Engineering Science
Priority date: 2020-04-21
Filing date: 2020-04-21
Publication date: 2022-06-24
Anticipated expiration: 2040-04-21
Also published as: CN111593339A

Abstract

本发明提供了一种含有纳米碳化钽的多层高熵合金激光熔覆层及其制备方法，该制备方法包括：将钢铁基体经过处理后，将铁、钴、铬、镍、钼和钛以等摩尔比混合，得到多元混合粉末，添加等摩尔量的纳米碳化钽后球磨混合，将上述混合粉末涂抹在处理的钢铁基体表面并烘干，取出后放置于200‑300℃的通氩气马弗炉中保温，取出在氩气保护下进行激光熔覆，熔覆后置于上述马弗炉中保温，取出空冷；将表面氧化层去除后重复上述操作3次；本发明在传统的高熵合金熔覆层中添加了纳米碳化钽颗粒，与未添加碳化钽的高熵合金熔覆层相比，其硬度提高了近300HV，厚度最高可达2mm以上，提高了熔覆层的厚度和硬度，进一步增加了钢铁材料表面的耐磨性能。

Description

含有纳米碳化钽的多层高熵合金激光熔覆层及其制备方法

技术领域

本发明属于钢铁材料表面处理技术领域，具体涉及一种含有纳米碳化钽的多层高熵合金激光熔覆层及其制备方法。

背景技术

自高熵合金问世以来，以其独特的成分构思打开了合金材料成分设计的新思路，它打破了传统材料中以一种元素为主，其它元素为辅的思想，而是材料等摩尔比例或相近摩尔比的方法将五种以上的元素混合在一起，由于这些元素间的相互作用，使其具有许多优异于传统材料的性能，如高强度、高硬度、高耐磨耐腐蚀性等。为了精确控制合金的成分，高熵合金块体材料大多采用真空熔炼的方法制备，但是这种方法工艺复杂，容易产生铸造缺陷，在一定程度上限制了其应用。

多数工件服役过程中的失效方式以磨损为主，而这种失效大部分发生在工件的表面，如果能在工件表面制备一定厚度高熵合金涂层，则可以有效地提高工件表面的力学性能，延长其使用寿命，从而提高稀有元素的利用率。基于这一考虑，在金属材料表面制备高熵合金涂层的研究很多，其制备方法也多种多样：如磁控溅射、电弧离子镀以及离子束辅助沉积等方法，但这些方法中薄膜受沉积速度和应力状态等因素的影响，往往限制了薄膜的厚度，在使用过程中会造成其早期失效，很难发挥高熵合金的优势。

激光熔覆在工件表面添加其它元素，同时利用高能激光束将其与基体材料表面快速熔化，通过快速凝结在其表面形成与基材具有不同成分和性能的合金层。通过该技术可以将较厚的涂层与基体结合，涂层与基体间属于冶金结合，具有很高的结合强度，目前已成为金属材料表面强化、修复的重要手段之一，利用此种技术制备表面高熵涂层也有一定的研究，目前研究主要集中在单层熔覆层的制备方面，虽然在一定程度上能够起到强化的效果，但是熔覆层的厚度较低，在高速重载的条件下，容易再次表层萌生裂纹，造成工件表面早期失效。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明的首要目的是提供一种含有纳米碳化钽的多层高熵合金激光熔覆层的制备方法。即采用激光熔覆技术，在钢铁材料表面制备多层TaC/(Fe、Cr、Ti、Mo、Ni、Co)高熵合金激光熔覆层，以提高钢铁材料表面的耐磨性能。

本发明的第二个目的是提供上述含有纳米碳化钽的多层高熵合金激光熔覆层。

为达到上述首要目的，本发明的解决方案是：

一种含有纳米碳化钽的多层高熵合金激光熔覆层的制备方法，其包括如下步骤：

(1)、使用120#砂纸将钢铁基体磨光去除氧化膜后，置于酒精或丙酮中超声清洗除油，得到处理的钢铁基体；

(2)、将铁(Fe)、钴(Co)、铬(Cr)、镍(Ni)、钼(Mo)和钛(Ti)以等摩尔比混合，得到多元混合粉末，在多元混合粉末内添加与其等摩尔量的纳米碳化钽(TaC)进行球磨混合，得到含有纳米碳化钽(TaC)的多元混合粉末；

(3)、将含有纳米碳化钽(TaC)的多元混合粉末混合粘结剂后，涂抹在处理的钢铁基体表面并于70-80℃下烘干，然后置于马弗炉中加热至200-300℃，采用氩气保护，取出后采用光纤激光器进行熔覆，熔覆后放回马弗炉中保温15-30min，取出空冷；

(4)、将上述试样熔覆层去除氧化层后重复步骤(3)的操作，重复3次，得到含有纳米碳化钽(TaC)的多层高熵合金激光熔覆层。

作为本发明的一种优选实施例，步骤(2)中，铁、钴、铬、镍、钼和钛的纯度均大于99.99％，粒度均小于200目。纳米碳化钽的粒径为50-100nm。

作为本发明的一种优选实施例，步骤(2)中，添加纳米碳化钽时，球磨混合的时间为2-4h。

作为本发明的一种优选实施例，步骤(3)中，多元混合粉末涂抹在处理的钢铁基体后的厚度为0.8-1mm；烘干的时间为2-3h。

作为本发明的一种优选实施例，步骤(3)中，粘结剂为含4wt％醋酸纤维素的二丙酮醇溶液。

作为本发明的一种优选实施例，步骤(3)中，光纤激光器中激光的工艺参数为：离焦量为45-50mm，光斑尺寸为4-5mm，激光功率为1200-1500W，扫描速度为15-20mm/s，搭接率为50-75％，熔覆时氩气的流量为15-20L/min。

为达到上述第二个目的，本发明的解决方案是：

一种含有纳米碳化钽的多层高熵合金激光熔覆层由上述的制备方法得到。

由于采用上述方案，本发明的有益效果是：

第一、本发明在传统的高熵合金熔覆层中添加了纳米TaC颗粒，与未添加TaC的高熵合金熔覆层相比，其硬度提高了近300HV，厚度最高可达2mm以上，从而提高了熔覆层的厚度和硬度，即采用激光熔覆技术，在钢材表面制备添加了TaC的多层Fe、Cr、Ti、Mo、Ni和Co高熵合金熔覆层，进一步增加了钢铁材料表面的耐磨性能。

第二、本发明的制备方法中，熔覆前后试样放置在马弗炉中加热至200-300℃，可以有效降低熔覆过程中的热应力，从而降低熔覆层出现裂纹的倾向。

总之，本发明在钢铁材料表面制备高硬度高耐磨性的熔覆层，并且与基体间具有良好的结合性能，通用性广，不仅可适用于中低碳钢，而且还可适用于高碳钢，另外操作简单，具有很强的使用性。

附图说明

图1为本发明的含有纳米碳化钽的多层高熵合金激光熔覆层的形貌示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种含有纳米碳化钽的多层高熵合金激光熔覆层及其制备方法。

<含有纳米碳化钽的多层高熵合金激光熔覆层的制备方法>

本发明的含有纳米碳化钽的多层高熵合金激光熔覆层的制备方法包括如下步骤：

(1)、选择钢铁材料作为基体，使用120#砂纸将钢铁材料基体表面磨光，除去氧化层，然后置于酒精或丙酮中进行超声清洗，得到处理的钢铁基体；

(2)、将Fe、Co、Cr、Ni、Mo和Ti粉末以相同摩尔比混合，得到多元混合粉末，在多元混合粉末内添加与其等摩尔量的纳米TaC，并置于研磨罐中球磨混合2-4h，得到含有纳米TaC的多元混合粉末；

(3)、将含有纳米TaC的多元混合粉末混合粘结剂(4％醋酸纤维素的二丙酮醇溶液)后，涂抹在处理的钢铁基体表面并置于烘箱中在70-80℃下烘干，然后置于马弗炉中加热至200-300℃，采用氩气保护，取出后采用光纤激光器进行熔覆，熔覆时采用Ar气进行保护，流量为18-20L/min，熔覆后放回马弗炉中保温15-30min，取出空冷；

(4)、熔覆后去除熔覆层的表面氧化层，重复步骤(3)中操作3次，得到含有纳米碳化钽的多层高熵合金激光熔覆层。

其中，在步骤(2)中，Fe、Co、Cr、Ni、Mo和Ti的纯度均大于99.99％，粒度均小于200目。纳米碳化钽的粒径为50-100nm。

在步骤(3)中，多元混合粉末涂抹在处理的钢铁基体后的厚度可以为0.8-1mm，优选为1mm；烘干的时间可以为2-3h，优选为2h。

在步骤(3)中，光纤激光器中激光的工艺参数为：离焦量可以为45-50mm；光斑尺寸可以为4-5mm，优选为5mm；激光功率可以为1200-1500W，优选为1500W；扫描速度可以为15-20mm/s，优选为20mm/s；搭接率可以为50-75％，优选为75％。

<含有纳米碳化钽的多层高熵合金激光熔覆层>

如图1所示，本发明的含有纳米碳化钽的多层高熵合金激光熔覆层由上述制备方法得到。

以下结合实施例对本发明作进一步的说明。

实施例：

本实施例的含有纳米碳化钽的多层高熵合金激光熔覆层的制备方法包括如下步骤：

(1)、将Ф50×10mm的45#钢片调质处理后，使用120#砂纸将钢铁材料基体表面磨光，除去氧化层，然后使用酒精进行清洗，得到处理的钢铁基体。

(2)、选择纯度均大于99.99％，粒度均小于200目的Fe、Co、Cr、Ni、Mo和Ti粉末以相同摩尔比混合，得到多元混合粉末，在多元混合粉末内添加与其等摩尔量的纳米TaC粉末，并置于研磨罐中球磨混合3h，得到含有纳米TaC的多元混合粉末。

(3)、将含有纳米TaC的多元混合粉末混合粘结剂(4％醋酸纤维素的二丙酮醇溶液)后，涂抹在处理的钢铁基体表面，厚度为1mm，并置于烘箱中80℃下烘干2h，然后置于马弗炉中加热至300℃，加热时采用Ar气保护。之后取出并迅速利用光纤激光器进行激光熔覆，选择激光工艺参数为离焦量50mm，光斑尺寸为5mm，激光功率为1500W，扫描速度为20mm/s，搭接率为75％，熔覆时采用Ar气进行保护，流量为20L/min，熔覆后放回马弗炉中保温20min取出空冷。

(4)、冷到室温后去除氧化层，然后重新铺粉，厚度为1mm，仍然先预热后激光熔覆，激光熔覆的工艺参数与上述一致，熔覆后置于马弗炉中冷却，重复操作三次。经过处理后表面硬度高达1000HV，未添加TaC的高熵合金熔覆层的硬度约为700-800HV，故添加了纳米TaC颗粒的熔覆层的硬度提高了近300HV；该熔覆层厚度可以高达2mm以上。

上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术人员显然可以容易的对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中，而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例。本领域技术人员根据本发明的原理，不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种含有纳米碳化钽的多层高熵合金激光熔覆层的制备方法，其特征在于：其包括如下步骤：

(1)、将钢铁基体磨光去除氧化膜后，置于酒精或丙酮中超声清洗除油，得到处理的钢铁基体；

(2)、将铁、钴、铬、镍、钼和钛以等摩尔比混合，得到多元混合粉末，在多元混合粉末内添加与其等摩尔量的纳米碳化钽进行球磨混合，得到含有纳米碳化钽的多元混合粉末；

(3)、将所述含有纳米碳化钽的多元混合粉末混合粘结剂后，涂抹在所述处理的钢铁基体表面并于70-80℃下烘干，然后置于马弗炉中加热至200-300℃，采用氩气保护，取出后采用光纤激光器进行熔覆，熔覆后放回马弗炉中保温15-30min，取出空冷；

(4)、将上述试样熔覆层去除氧化层后重复步骤(3)的操作，重复3次，得到含有纳米碳化钽的多层高熵合金激光熔覆层；

步骤(2)中，所述铁、钴、铬、镍、钼和钛的纯度均大于99.99％，粒度均小于200目；所述纳米碳化钽的粒径为50-100nm。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，添加纳米碳化钽时，所述球磨混合的时间为2-4h。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述多元混合粉末涂抹在处理的钢铁基体后的厚度为0.8-1mm；所述烘干的时间为2-3h。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述粘结剂为含4wt％醋酸纤维素的二丙酮醇溶液。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述光纤激光器中激光的工艺参数为：离焦量为45-50mm，光斑尺寸为4-5mm，激光功率为1200-1500W，扫描速度为15-20mm/s，搭接率为50-75％，熔覆时氩气的流量为15-20L/min。

6.一种含有纳米碳化钽的多层高熵合金激光熔覆层，其特征在于：其由权利要求1-5任一项所述的制备方法得到。