CN112281155B

CN112281155B - 不锈钢表面AlFeCoNiCr高熵涂层的制备方法

Info

Publication number: CN112281155B
Application number: CN202011175514.2A
Authority: CN
Inventors: 李广忠; 李亚宁; 王昊
Original assignee: Northwest Institute for Non Ferrous Metal Research
Current assignee: Northwest Institute for Non Ferrous Metal Research
Priority date: 2020-10-28
Filing date: 2020-10-28
Publication date: 2021-11-16
Anticipated expiration: 2040-10-28
Also published as: CN112281155A

Abstract

本发明公开了不锈钢表面AlFeCoNiCr高熵涂层的制备方法，该方法包括：一、备料；二、混料；三、制备混合浆料；四、混合浆料涂覆到不锈钢表面并干燥；五、预烧结形成AlFeCoNiC预烧结涂层；六、采用电子束熔覆工艺在不锈钢表面制备AlFeCoNiC高熵涂层。本发明将粉末预烧结法和电子束熔覆工艺相结合，实现了AlFeCoNiCr高熵涂层与不锈钢基体的冶金结合，有效提高了两者的结合力，进而提高了不锈钢表面AlFeCoNiCr髙熵涂层的耐磨性和硬度，以及抗氧化、抗高温腐蚀性能，使其使用寿命得以延长，该制备方法易于实现，成本较低，提高了AlFeCoNiCr髙熵涂层在极端环境下的适应性。

Description

不锈钢表面AlFeCoNiCr高熵涂层的制备方法

技术领域

本发明属于耐腐蚀表面涂层技术领域，具体涉及一种不锈钢表面AlFeCoNiCr高熵涂层的制备方法。

背景技术

我国超临界机组装机容量和超临界机组生产技术，现已达到世界顶尖水平。我国计划在未来发展主蒸汽温度为650℃及以上的超超临界发电技术,更高的主蒸汽温度对超临界机组锅炉不锈钢有着更强的腐蚀性,尤其高温受热面氧化膜生长的速度及脱落速率明显加剧,这对电厂锅炉不锈钢,尤其是过热器和再热器不锈钢提出更严格的要求。因此，改善锅炉用不锈钢的抗氧化能力就成为发展主蒸汽温度650℃及以上的超超临界发电技术的关键。

基于现有材料，通过优化控制，减少氧化皮问题就成为一个值得深入研究的课题。如：欧洲在推行的“Coatings for Supercritical Steam Cycles”(SUPERCOAT)研究计划，通过铝涂层的制备，来提高材料的抗高温蒸汽氧化腐蚀性能，以及延长管道的使用。但是目前主流的渗铝工艺在大型管道、以及主蒸汽管内壁渗铝存在渗铝温度过高，以及铝涂层致密度不够等问题。

2004年，中国台湾叶筠蔚教授等提出一种由多种组元构成，打破传统合金设计方法的合金设计概念-高熵合金(High Entropy Alloy)，高熵合金由五种或五中以上等量或大约等量的金属组成，具有高强度、高硬度、耐磨、抗氧化和腐蚀等性能。高熵合金以其特有的性能引起国内外学者的广泛关注。针对其高的抗氧化和腐蚀等性能，研究者希望通过在耐热钢表面制备高熵涂层，以提高耐热钢在高温领域的抗氧化性能，达到延长耐热钢使用时间的目的。

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，提供一种不锈钢表面AlFeCoNiCr高熵涂层的制备方法。该方法将粉末预烧结法和电子束熔覆工艺相结合，在粉末涂层预烧结成型的基础上进行电子束扫描熔化，实现了AlFeCoNiCr高熵涂层与不锈钢基体的冶金结合，有效提高了两者的结合力，进而提高了不锈钢表面AlFeCoNiCr髙熵涂层的耐磨性和硬度，以及抗氧化、抗高温腐蚀性能，使其使用寿命得以延长。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：不锈钢表面AlFeCoNiCr高熵涂层的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、按照目标AlFeCoNiCr高熵涂层的设计成分选择Al、Fe、Co、Ni、Cr各元素粉末进行备料；所述目标AlFeCoNiCr高熵涂层的设计成分按摩尔百分含量计为：Al 18％～22％，Fe 18％～22％，Co 18％～22％，Cr 18％～22％，Ni 18％～22％；

步骤二、采用粉体混料机将步骤一中准备的Al、Fe、Co、Ni、Cr各元素粉末进行混料，得到AlFeCoNiCr混合粉末；

步骤三、将步骤二中得到的AlFeCoNiCr混合粉末加入到分散剂溶液中，得到AlFeCoNiCr混合浆料；

步骤四、将步骤三中得到的AlFeCoNiCr混合浆料涂覆到不锈钢表面，干燥后得到表面具有AlFeCoNiCr混合膜层的不锈钢；

步骤五、将步骤四中得到的表面具有AlFeCoNiCr混合膜层的不锈钢放置于真空炉中进行预烧结，在不锈钢表面形成AlFeCoNiC预烧结涂层；

步骤六、采用电子束熔覆工艺对步骤五中在不锈钢表面形成的AlFeCoNiC预烧结涂层进行扫描熔化，在不锈钢表面制备得到AlFeCoNiC高熵涂层。

本发明将粉末预烧结法和电子束熔覆工艺相结合，通过粉末预烧结在不锈钢表面形成呈粉末多孔状态的AlFeCoNiCr预烧结涂层，实现了AlFeCoNiCr与不锈钢基体的结合，同时有效去除分散剂溶液，避免对后续电子束熔覆设备的污染；然后对不锈钢表面制备得到的AlFeCoNiCr预烧结涂层进行电子束扫描熔化，利用电子束的高能量对AlFeCoNiCr预烧结涂层中的粉末颗粒进行充分加热熔化，使得AlFeCoNiCr预烧结涂层中的粉末颗粒熔覆凝固形成致密均匀的AlFeCoNiCr高熵涂层，同时不锈钢基体表面受热发生熔覆凝固形成不锈钢熔覆凝固层，AlFeCoNiCr高熵涂层与不锈钢熔覆凝固层共同组成了熔覆层，实现了AlFeCoNiCr高熵涂层与不锈钢基体的冶金结合，有效提高了AlFeCoNiCr高熵涂层与不锈钢基体的结合力，进而提高了不锈钢表面AlFeCoNiCr髙熵涂层的耐磨性和硬度，以及抗氧化、抗高温腐蚀性能，使其使用寿命得以延长。

上述的不锈钢表面AlFeCoNiCr高熵涂层的制备方法，其特征在于，步骤二中所述Al、Fe、Co、Ni、Cr各元素粉末按照等原子比或接近等原子比进行混料。

上述的不锈钢表面AlFeCoNiCr高熵涂层的制备方法，其特征在于，步骤二中所述混料采用的转速为23转/分钟～25转/分钟，混料时间为4h～6h。

上述的不锈钢表面AlFeCoNiCr高熵涂层的制备方法，其特征在于，步骤三中所述分散剂溶液为质量含量3％～7％的聚乙烯醇缩丁醛的乙醇溶液；所述AlFeCoNiCr混合浆料的浓度为0.5g/mL～0.7g/mL。

上述的不锈钢表面AlFeCoNiCr高熵涂层的制备方法，其特征在于，步骤四中所述干燥的温度为60℃～80℃。该优选干燥温度保证了分散剂溶液中的溶剂挥发完全，得到表面状态完整的AlFeCoNiCr混合膜层，提高了干燥效率。

上述的不锈钢表面AlFeCoNiCr高熵涂层的制备方法，其特征在于，步骤五中所述预烧结的温度为800℃～900℃，真空度小于5.0×10^-2Pa，时间为2h～3h。

上述的不锈钢表面AlFeCoNiCr高熵涂层的制备方法，其特征在于，步骤五中所述AlFeCoNiCr预烧结涂层的厚度为95μm～115μm。

上述的不锈钢表面AlFeCoNiCr高熵涂层的制备方法，其特征在于，步骤六中所述扫描熔化的电流为11mA～12mA，扫描速率为1.0mm/s～1.5mm/s。

上述的不锈钢表面AlFeCoNiCr高熵涂层的制备方法，其特征在于，步骤六中所述扫描熔化在不锈钢表面制备形成由AlFeCoNiCr高熵涂层和不锈钢熔覆凝固层组成的熔覆层，且熔覆层的厚度为300μm，AlFeCoNiCr高熵涂层的厚度为62μm～75μm。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明将粉末预烧结法和电子束熔覆工艺相结合，在粉末涂层预烧结成型的基础上进行电子束扫描熔化，实现了AlFeCoNiCr高熵涂层与不锈钢基体的冶金结合，有效提高了AlFeCoNiCr高熵涂层与不锈钢基体的结合力，进而提高了不锈钢表面AlFeCoNiCr髙熵涂层的耐磨性和硬度，以及抗氧化、抗高温腐蚀性能，使其使用寿命得以延长。

2、本发明的制备方法具有粉末和能量利用率高、制备流程短的优点，且通过电子束熔覆工艺直接作用于不锈钢表面的AlFeCoNiCr预烧结涂层，无需进行铺粉，提高了粉末利用率和能量利用率，解决了粉末预烧结法制备的AlFeCoNiCr髙熵涂层孔隙大、杂质多的缺点，进一步提升了不锈钢表面AlFeCoNiCr髙熵涂层的抗氧化和抗高温腐蚀性能。

3、本发明采用的电子束熔覆工艺的加热、冷却速度均较快，有效促进了AlFeCoNiCr预烧结涂层中粉末颗粒的熔化凝固过程，实现了微区域熔覆，对不锈钢基体的不良热影响小，且得到的熔覆层均匀致密，显微缺陷少。

4、本发明的制备方法易于实现，成本较低，提高了AlFeCoNiCr髙熵涂层在极端环境下的适应性，还可应用于制备其他高温部件的防护涂层，拓展了高熵合金涂层的应用范围。

下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

具体实施方式

实施例1

本实施例包括以下步骤：

步骤一、按照目标AlFeCoNiCr高熵涂层的设计成分选择Al、Fe、Co、Ni、Cr各元素粉末进行备料；所述目标AlFeCoNiCr高熵涂层的设计成分按摩尔百分含量计为：Al 22％，Fe22％，Co 18％，Cr 18％％，Ni 20％；

步骤二、采用粉体混料机将步骤一中准备的Al、Fe、Co、Ni、Cr各元素粉末进行混料，得到AlFeCoNiCr混合粉末；所述混料采用的转速为23转/分钟，混料时间为6h；

步骤三、将步骤二中得到的AlFeCoNiCr混合粉末加入到分散剂溶液中，得到AlFeCoNiCr混合浆料；所述分散剂溶液为质量含量3％的聚乙烯醇缩丁醛的乙醇溶液；所述AlFeCoNiCr混合浆料的浓度为0.5g/mL；

步骤四、采用刷涂工艺将步骤三中得到的AlFeCoNiCr混合浆料涂覆到G115钢表面，在60℃干燥后得到表面具有AlFeCoNiCr混合膜层的G115钢；所述G115钢的名义成分为9Cr-2.8W-3CoCuVNbBN，尺寸为100mm×20mm×20mm(长×宽×高)，且使用前均先采用180#、600#、1000#砂纸逐级打磨，再经无水乙醇和去离子水冲洗干净；

步骤五、将步骤四中得到的表面具有AlFeCoNiCr混合膜层的G115钢放置于真空炉中进行预烧结，在G115钢表面形成AlFeCoNiC预烧结涂层；所述预烧结的温度为800℃，真空度为4.0×10^-2Pa，时间为3h；所述AlFeCoNiCr预烧结涂层的厚度为95μm；

步骤六、采用电子束熔覆工艺对步骤五中在G115钢表面形成的AlFeCoNiC预烧结涂层进行扫描熔化，在G115钢表面制备形成由AlFeCoNiCr高熵涂层和G115钢熔覆凝固层组成的熔覆层，且熔覆层的厚度为300μm，AlFeCoNiCr高熵涂层的厚度为62μm；所述扫描熔化的电流为11mA，扫描速率为1.0mm/s。

实施例2

本实施例包括以下步骤：

步骤一、按照目标AlFeCoNiCr高熵涂层的设计成分选择Al、Fe、Co、Ni、Cr各元素粉末进行备料；所述目标AlFeCoNiCr高熵涂层的设计成分按摩尔百分含量计为：Al 18％，Fe20％，Co 22％，Cr 22％％，Ni 18％；

步骤二、采用粉体混料机将步骤一中准备的Al、Fe、Co、Ni、Cr各元素粉末进行混料，得到AlFeCoNiCr混合粉末；所述混料采用的转速为25转/分钟，混料时间为4h；

步骤三、将步骤二中得到的AlFeCoNiCr混合粉末加入到分散剂溶液中，得到AlFeCoNiCr混合浆料；所述分散剂溶液为质量含量7％的聚乙烯醇缩丁醛的乙醇溶液；所述AlFeCoNiCr混合浆料的浓度为0.7g/mL；

步骤四、采用刷涂工艺将步骤三中得到的AlFeCoNiCr混合浆料涂覆到316L不锈钢表面，在80℃干燥后得到表面具有AlFeCoNiCr混合膜层的316L不锈钢；所述316L不锈钢的尺寸为100mm×20mm×20mm(长×宽×高)，且使用前均先采用180#、600#、1000#砂纸逐级打磨，再经无水乙醇和去离子水冲洗干净；

步骤五、将步骤四中得到的表面具有AlFeCoNiCr混合膜层的316L不锈钢放置于真空炉中进行预烧结，在316L不锈钢表面形成AlFeCoNiC预烧结涂层；所述预烧结的温度为900℃，真空度为2.0×10^-2Pa，时间为2h；所述AlFeCoNiCr预烧结涂层的厚度为105μm；

步骤六、采用电子束熔覆工艺对步骤五中在316L不锈钢表面形成的AlFeCoNiC预烧结涂层进行扫描熔化，在316L不锈钢表面制备形成由AlFeCoNiCr高熵涂层和316L不锈钢熔覆凝固层组成的熔覆层，且熔覆层的厚度为300μm，AlFeCoNiCr高熵涂层的厚度为75μm；所述扫描熔化的电流为12mA，扫描速率为1.5mm/s。

实施例3

本实施例包括以下步骤：

步骤一、按照目标AlFeCoNiCr高熵涂层的设计成分选择Al、Fe、Co、Ni、Cr各元素粉末进行备料；所述目标AlFeCoNiCr高熵涂层的设计成分按摩尔百分含量计为：Al 20％，Fe18％，Co 20％，Cr 20％％，Ni 22％；

步骤二、采用粉体混料机将步骤一中准备的Al、Fe、Co、Ni、Cr各元素粉末进行混料，得到AlFeCoNiCr混合粉末；所述混料采用的转速为24转/分钟，混料时间为5h；

步骤三、将步骤二中得到的AlFeCoNiCr混合粉末加入到分散剂溶液中，得到AlFeCoNiCr混合浆料；所述分散剂溶液为质量含量5％的聚乙烯醇缩丁醛的乙醇溶液；所述AlFeCoNiCr混合浆料的浓度为0.6g/mL；

步骤四、采用刷涂工艺将步骤三中得到的AlFeCoNiCr混合浆料涂覆到304不锈钢表面，在70℃干燥后得到表面具有AlFeCoNiCr混合膜层的304不锈钢；所述304不锈钢的尺寸为100mm×20mm×20mm(长×宽×高)，且使用前均先采用180#、600#、1000#砂纸逐级打磨，再经无水乙醇和去离子水冲洗干净；

步骤五、将步骤四中得到的表面具有AlFeCoNiCr混合膜层的304不锈钢放置于真空炉中进行预烧结，在304不锈钢表面形成AlFeCoNiC预烧结涂层；所述预烧结的温度为850℃，真空度为4.0×10^-2Pa，时间为2.5h；所述AlFeCoNiCr预烧结涂层的厚度为115μm；

步骤六、采用电子束熔覆工艺对步骤五中在304不锈钢表面形成的AlFeCoNiC预烧结涂层进行扫描熔化，在304不锈钢表面制备形成由AlFeCoNiCr高熵涂层和304不锈钢熔覆凝固层组成的熔覆层，且熔覆层的厚度为300μm，AlFeCoNiCr高熵涂层的厚度为70μm；所述扫描熔化的电流为11.5mA，扫描速率为1.25mm/s。

实施例4

本实施例与实施例3的不同之处为：目标AlFeCoNiCr高熵涂层的设计成分按摩尔百分含量计为：Al 20％，Fe 20％，Co 20％，Cr 20％％，Ni 20％。

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

1.不锈钢表面AlFeCoNiCr高熵涂层的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的不锈钢表面AlFeCoNiCr高熵涂层的制备方法，其特征在于，步骤二中所述Al、Fe、Co、Ni、Cr各元素粉末按照等原子比或接近等原子比进行混料。

3.根据权利要求1所述的不锈钢表面AlFeCoNiCr高熵涂层的制备方法，其特征在于，步骤二中所述混料采用的转速为23转/分钟～25转/分钟，混料时间为4h～6h。

4.根据权利要求1所述的不锈钢表面AlFeCoNiCr高熵涂层的制备方法，其特征在于，步骤三中所述分散剂溶液为质量含量3％～7％的聚乙烯醇缩丁醛的乙醇溶液；所述AlFeCoNiCr混合浆料的浓度为0.5g/mL～0.7g/mL。

5.根据权利要求1所述的不锈钢表面AlFeCoNiCr高熵涂层的制备方法，其特征在于，步骤四中所述干燥的温度为60℃～80℃。

6.根据权利要求1所述的不锈钢表面AlFeCoNiCr高熵涂层的制备方法，其特征在于，步骤五中所述预烧结的温度为800℃～900℃，真空度小于5.0×10^-2Pa，时间为2h～3h。

7.根据权利要求1所述的不锈钢表面AlFeCoNiCr高熵涂层的制备方法，其特征在于，步骤五中所述AlFeCoNiCr预烧结涂层的厚度为95μm～115μm。

8.根据权利要求1所述的不锈钢表面AlFeCoNiCr高熵涂层的制备方法，其特征在于，步骤六中所述扫描熔化的电流为11mA～12mA，扫描速率为1.0mm/s～1.5mm/s。

9.根据权利要求1所述的不锈钢表面AlFeCoNiCr高熵涂层的制备方法，其特征在于，步骤六中所述扫描熔化在不锈钢表面制备形成由AlFeCoNiCr高熵涂层和不锈钢熔覆凝固层组成的熔覆层，且熔覆层的厚度为300μm，AlFeCoNiCr高熵涂层的厚度为62μm～75μm。