CN113564576A - 一种陶瓷相梯度的单相高熵合金涂层材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明设计一种激光熔覆制备陶瓷相梯度的单相高熵合金涂层材料及方法,材料包括以下元素及原子比Co:Cr:Fe:Mn:Ni=1:1:1:1:1,陶瓷含量在CoCrFeMnNi/陶瓷梯度高熵合金涂层中从内层到顶层呈连续梯度变化。步骤如下:(1)配置合金粉末,将Co、Cr、Fe、Mn、Ni粉末和不同质量分数陶瓷颗粒混合均匀;(2)对碳钢基体表面进行预处理;(3)将不同陶瓷含量的CoCrFeMnNi/陶瓷粉末按梯度递增的顺序逐一熔覆在基体表面;(4)熔覆后的基体空冷至室温。本发明在基体上制备的熔覆层,其表面具有高的硬度和耐磨性,熔覆层之间以及熔覆层与基体之间为良好的冶金结合,结合处韧性较好,残余应力与裂纹驱动力较小。

Description

一种陶瓷相梯度的单相高熵合金涂层材料及其制备方法
技术领域
本发明属于激光熔覆领域,尤其涉及一种陶瓷相梯度的单相高熵合金涂层材料及其制备方法。
背景技术
高熵合金一般由5种或更多种的金属,或金属与非金属元素组成。高熵合金具有的高熵效应、晶格畸变效应使其具有高硬度以及高耐磨性等优异性能。因此,高熵合金日益成为制备合金涂层的理想材料。
申请公布号CN 108359977 A提出了一种激光熔覆用FeCoVWNbSc高熵合金粉末及其使用方法,所述FeCoVWNbSc高熵合金粉末成分及原子比如下:Fe:Co:V:W:Nb:Sc=1:1:1:1:1:0.02~0.04。此种方法制备的熔覆层韧性不足,残余应力和裂纹驱动力较大,容易产生裂纹,引起强化失效。申请公布号CN 106060450 A提出了一种高熵合金粉及其激光熔覆制备高熵合金涂层的方法,高熵合金粉由Cr、Fe、Ni、Ti、Mo元素粉末组成。该方法包括如下步骤:对所述高熵合金粉末进行球磨;对45#钢基体进行预处理;制备预置层,最后采用激光器进行熔覆层的制备,在整个球磨和激光处理过程中用Ar气进行保护。该方法制备的熔覆层强度硬度提高,但是依赖Mo元素粉末,材料成本较高。申请公布号CN 106048380 A提出了一种高熵合金基复合涂层及其制备方法,高熵合金基复合涂层的高熵合金基体为AlCoCrNiFeCu,其体积分数为80-95%,增强相为NbC,体积分数5%~20%。包括如下制备过程:(1)将Si、C和Cu粉体称量、混合;(2)然后用石油醚和无水乙醇对上述单质原料进行超声波清洗,最后把上述单质原料混合熔炼,母合金铸锭随钨极磁控电弧炉冷却,然后取出母合金铸锭;(3)喷铸所得圆棒状合金即为高熵合金基复合材料电极;(4)通过连接、叠加而形成连续的涂层即可。该技术由于采用了铸造方法,导致制备成本高、工艺复杂、成分偏析及缺陷严重。
梯度熔覆涂层可以通过连续的改变材料的成分而避免熔覆层及基体之间强韧性的突变,从而获得良好的结合情况,以及更低的残余应力和裂纹萌生倾向。因此,梯度合金材料拥有更长的使用寿命以及更广的使用范围。另外,由于晶粒细化作用和固溶强化作用,陶瓷颗粒的添加可以大幅度提升高熵合金涂层的硬度和耐磨性等性能。考虑到单一的FCC(面心立方结构)相具有较好的韧性,故本发明提出一种陶瓷相梯度的单相高熵合金涂层及制备方法。
发明内容
本发明的目的是为了背景技术中的技术不足,制备性价比高且涂层性能优异的合金粉末,提供一种激光熔覆CoCrFeMnNi/陶瓷梯度高熵合金的方法。利用本方法可以在基体上制备出与基体为良好冶金结合的熔覆层,其表面硬度高,且梯度高熵合金涂层能显著提高基体与熔覆层之间以及熔覆层与熔覆层之间的韧性,降低界面处的残余应力和裂纹驱动力。本方法工艺简单,涂层厚度也易于控制。利用本方法可以在基体上制备出与基体为良好冶金结合的熔覆层,熔覆层结构为简单的FCC(面心立方结构)相,能显著提高高熵合金涂层的韧性,降低界面处的残余应力和热应力。
本发明一种陶瓷相梯度的单相高熵合金涂层材料,所述涂层涂覆于基底上,所述涂层的总厚度为1.5~3.0mm,所述涂层由高熵合金和陶瓷构成;所述高熵合金所含元素及其原子比为:Co:Cr:Fe:Mn:Ni=1:1:1:1:1;沿基底与涂层的接触面至涂层的表面,所述涂层中陶瓷的含量呈日梯度递增;所述涂层通过激光熔覆制备。陶瓷相选为SiC颗粒或由WC或NbC与SiC和其组成的混合陶瓷颗粒。作为优选方案以SiC颗粒为增强相。从增强硬度的角度来说,SiC陶瓷颗粒相对WC、NbC、TiC以及TiN等陶瓷颗粒价格低廉,且相同质量分数时体积分数大对硬度提升较大,是制备梯度高熵合金涂层的理想材料。
作为优选方案,发明一种陶瓷相梯度的单相高熵合金涂层材料,所述涂层分为2~3个亚涂层,沿基底与涂层的接触面至涂层的表面,将涂层分为第一亚涂层、第二亚涂层、第三亚涂层;亚涂层确定后,该亚涂层中陶瓷的含量为定值,且均匀分布。所述第一亚涂层中陶瓷的含量为0~5wt%,所述第二亚涂层中陶瓷的含量为5~15wt%,所述第三亚涂层中陶瓷的含量为15~25wt%,且任意两个亚涂层中陶瓷的含量不相等。作为进一步的优选方案,相邻两个亚层之间陶瓷的含量小于等于10wt.%。
作为优选方案,发明一种陶瓷相梯度的单相高熵合金涂层材料,第一亚涂层的厚度为0.5~0.8mm、第二亚涂层的厚度为0.5~0.8mm,第三亚涂层的厚度为0.8~1.2mm。
作为优选方案,发明一种陶瓷相梯度的单相高熵合金涂层材料,第一亚涂层:第二亚涂层的厚度:第三亚涂层的厚度=0.5-1.0:0.5-1.0:0.5-1.2、优选为0.5-0.8:0.5-0.8:0.8-1.2。通过各亚涂层厚度以及各亚层厚度比例和成分的优化设计,可以在保证涂层韧性的同时提高其表面的硬度及耐磨性,通过梯度来缓和涂层的韧脆转变。
发明一种陶瓷相梯度的单相高熵合金涂层材料的制备方法;包括下述步骤:
步骤一 配置各亚层所需粉料;
将不同质量分数的陶瓷陶瓷颗粒分别与高熵合金原料粉末混合均匀;得到第一亚层所需粉料、第二亚层所需粉料、第三亚层所需粉料;所述高熵合金原料由Co、Cr、Fe、Mn、Ni按原子比1:1:1:1:1组成;
步骤二 逐层铺设+激光熔覆
2.1将第一亚层原料粉铺设于基底上,激光熔覆得到第一亚层;
2.2将第二亚层原料粉铺设于第一亚层上,激光熔覆得到第二亚层;
2.3将第三亚层原料粉铺设于第二亚层上,激光熔覆得到第三亚层;
得到第三亚层后冷却。
发明一种陶瓷相梯度的单相高熵合金涂层材料的制备方法;步骤一中,高熵合金的原料粉末为元素粉末,且元素粉末的纯度大于等于99.5%。
作为优选方案,发明一种低成本高硬度梯度高熵合金涂层材料的制备方法;步骤一中,
配取等原子比Co粉、Cr粉、Fe粉、Mn粉、Ni粉;并按质量比陶瓷/(Co粉+Cr粉+Fe粉+Mn粉+Ni粉)=0-0.05的比例配取陶瓷粉;将配取的粉末加入球磨机中,球磨混合得到第一亚层所需粉料;
配取等原子比Co粉、Cr粉、Fe粉、Mn粉、Ni粉;并按质量比陶瓷/(Co粉+Cr粉+Fe粉+Mn粉+Ni粉)=0.05-0.15的比例配取陶瓷粉;将配取的粉末加入球磨机中,球磨混合得到第二亚层所需粉料;
配取等原子比Co粉、Cr粉、Fe粉、Mn粉、Ni粉;并按质量比陶瓷/(Co粉+Cr粉+Fe粉+Mn粉+Ni粉)=0.15-0.25的比例配取陶瓷粉;将配取的粉末加入球磨机中,球磨混合得到第三亚层所需粉料;
第一亚层所需粉料、第二亚层所需粉料、第三亚层所需粉料中陶瓷的含量不相等;
球磨混合粉末采用低能球磨法制备,具体步骤为:将按照质量分数称量好的陶瓷粉与CoCrFeMnNi高熵合金粉末混合后加入球磨罐中,抽真空,进行低能球磨,控制球料质量比为5:1~10:1,转速为100~150r/min,球磨时间为1h~2h,将两种粉体混合均匀;所用球磨罐为真空不锈钢罐、硬质合金罐或者玛瑙罐,所用球为不锈钢球、硬质合金球或者氧化锆球,过程控制剂为无水乙醇、正庚烷、硬脂酸或不添加球磨介质。球磨后的粉末元素分布均匀,适合作为激光熔覆粉末。
球磨混料时,作为优选方案,Co粉、Cr粉、Fe粉、Mn粉、Ni粉的粒度均为100~300目,陶瓷粉末粒径为1~10μm。
作为优选方案,发明一种陶瓷相梯度的单相高熵合金涂层材料的制备方法;所述基底为表面清洁干燥的基底。所述基底优选为45#钢。在工业上应用时,对基底表面进行除油除锈处理。常用的除油除锈处理为:对基底用#400~#800的砂纸进行打磨或喷砂处理,之后用无水乙醇或丙酮清洗表面的杂质与油污。
作为优选方案,发明一种低成本高硬度梯度高熵合金涂层材料的制备方法;激光熔覆时,所用激光器为Laserline 4.4KW大功率半导体光纤耦合激光器,激光功率:800-2500W,光斑大小:4mm,扫描速度:3~10mm/s。
本发明所设计和制备的低成本高硬度梯度高熵合金涂层,其耐磨性能比基体提高了约28.6%,其表层平均硬度可达到645HV。
原理:
本发明中,在碳钢基体表面激光熔覆CoCrFeMnNi/陶瓷梯度高熵合金,制备的梯度高熵合金熔覆层,由于避免了成分的突变,其各熔覆层之间性能也较为相近且过渡均匀,熔覆层界面处的能量较低,因而熔覆层界面之间以及基体和熔覆层之间为良好的冶金结合,且熔覆基质为单一的FCC(面心立方结构)相,韧性较好,残余应力和裂纹驱动力也较小。
与现有技术相比,本发明具有以下特点:
(1)通过本方法制备的CoCrFeMnNi/陶瓷梯度高熵合金涂层,材料成本较低而材料表面硬度提升较大;
(2)梯度高熵合金熔覆层结合处为良好的冶金结合,组织均匀,没有明显的气孔和裂纹,CoCrFeMnNi为单相高熵合金,具有更好的韧性,因此结合处韧性较好,残余应力和裂纹驱动力较小,能够显著提高所制零件的表面使用寿命;
(3)本制备方法操作简单,陶瓷陶瓷颗粒成本较低,易于工业化和自动化的实现,且本方法能量利用率高,进一步节约了成本。
附图说明
图1是实施例一所述梯度高熵合金熔覆层的宏观组织形貌;
图2是实施例一、二所述梯度高熵合金的横截面硬度曲线;
图3是对比例一、三、四所述梯度高熵合金的横截面硬度曲线;
图4是实施例一、二,对比例一、四所述梯度高熵合金的磨损量;
图5是对比例二所述梯度高熵合金熔覆层的宏观组织形貌。
具体实施方式
实施例一
一种激光熔覆制备陶瓷相梯度的单相高熵合金的方法步骤为:
(1)选用Co、Cr、Fe、Mn、Ni元素粉末按等原子比分别与质量分数为0、10wt%、20wt%的SiC均匀混合;金属粉末的纯度均大于99.5%,粒度为100~300目,SiC陶瓷颗粒粒径为8μm;
(2)混合粉末采用低能球磨法制备,具体步骤为:将粉末混合后的粉末分别加入球磨罐中,抽真空,控制球料质量比为5:1,转速为150r/min,球磨时间为2h,将两种粉体混合均匀;所用球磨罐为真空不锈钢罐,所用球为不锈钢球不添加球磨介质。
(3)对45#钢基体进行预处理,具体步骤包括清洗、干燥、用#400和#800的砂纸打磨或喷砂后,用无水乙醇或丙酮清洗表面的杂质与油污;
(4)将(1)中配置的CoCrFeMnNi粉末预先铺设在基体表面,然后压实,形成预置层厚度为1mm;
(5)将(4)中的预置层进行激光熔覆处理,激光功率900W,光斑直径4mm,扫描速度4mm/s,熔覆过程采用Ar气保护;
(6)将(5)所得试样用#400的砂纸打磨后,将(1)中配置的CoCrFeMnNi+10wt%SiC粉末预先铺设在试样表面,然后压实,形成预置层,厚度为1mm;
(7)将(6)中的预置层进行激光熔覆处理,参数同(5);
(8)将(7)所得试样用#400的砂纸打磨后,将(1)中配置的CoCrFeMnNi+20wt%SiC粉末预先铺设在试样表面,然后压实,形成预置层,厚度为1mm;
(9)将(8)中的预置层进行激光熔覆处理,参数同(5)。
(10)将所得试样空冷至室温。所得产品的性能为:涂层的宏观金相如图1所示,亚层分层明显;其硬度如图2,最外层平均硬度可达645HV;磨损性能如图4所示,比基体提高了约28.6%。即所得产品的最大硬度为700Hv;且最大硬度位于涂层表面0.6-0.8mm处;由于成分的突变,然后在1.1-1.25mm以及1.6-1.7mm处硬度出现急剧下降的情况。
实施例二
一种激光熔覆制备陶瓷相梯度的单相高熵合金的方法步骤为:
(1)选用Co、Cr、Fe、Mn、Ni元素粉末按等原子比分别与质量分数为0、5wt%、15wt%的SiC均匀混合;金属粉末的纯度均大于99.5%,粒度为100~300目,SiC陶瓷颗粒粒径为8μm;
(2)混合粉末采用低能球磨法制备,具体步骤为:将粉末混合后的粉末分别加入球磨罐中,抽真空,控制球料质量比为5:1,转速为150r/min,球磨时间为2h,将两种粉体混合均匀;所用球磨罐为真空不锈钢罐,所用球为不锈钢球不添加球磨介质。
(3)对45#钢基体进行预处理,具体步骤包括清洗、干燥、用#400和#800的砂纸打磨或喷砂后,用无水乙醇或丙酮清洗表面的杂质与油污;
(4)将(1)中配置的CoCrFeMnNi粉末预先铺设在基体表面,然后压实,形成预置层厚度为1mm;
(5)将(4)中的预置层进行激光熔覆处理,激光功率900W,光斑直径4mm,扫描速度4mm/s,熔覆过程采用Ar气保护;
(6)将(5)所得试样用#400的砂纸打磨后,将(1)中配置的CoCrFeMnNi+5wt%SiC粉末预先铺设在试样表面,然后压实,形成预置层,厚度为1mm;
(7)将(6)中的预置层进行激光熔覆处理,参数同(5);
(8)将(7)所得试样用#400的砂纸打磨后,将(1)中配置的CoCrFeMnNi+15wt%SiC粉末预先铺设在试样表面,然后压实,形成预置层,厚度为1mm;
(9)将(8)中的预置层进行激光熔覆处理,参数同(5)。
(10)将所得试样空冷至室温。所得产品的性能为:图2可以看出,其最外层平均硬度约为533HV;耐磨性如图4所示,比基体提高了约16%。由于成分的突变,在亚涂层过渡截面即0.9-1.0mm以及1.6-1.7mm处硬度出现急剧下降的情况。
对比例一
一种激光熔覆制备陶瓷相梯度的单相高熵合金的方法步骤为:
(1)选用Co、Cr、Fe、Mn、Ni元素粉末按等原子比分别与质量分数为0、10wt%、20wt%的WC均匀混合;金属粉末的纯度均大于99.5%,粒度为100~300目,WC陶瓷颗粒粒径为8μm;
(2)混合粉末采用低能球磨法制备,具体步骤为:将粉末混合后的粉末分别加入球磨罐中,抽真空,控制球料质量比为5:1,转速为150r/min,球磨时间为2h,将两种粉体混合均匀;所用球磨罐为真空不锈钢罐,所用球为不锈钢球不添加球磨介质。
(3)对45#钢基体进行预处理,具体步骤包括清洗、干燥、用#400和#800的砂纸打磨或喷砂后,用无水乙醇或丙酮清洗表面的杂质与油污;
(4)将(1)中配置的CoCrFeMnNi粉末预先铺设在基体表面,然后压实,形成预置层厚度为1mm;
(5)将(4)中的预置层进行激光熔覆处理,激光功率900W,光斑直径4mm,扫描速度4mm/s,熔覆过程采用Ar气保护;
(6)将(5)所得试样用#400的砂纸打磨后,将(1)中配置的CoCrFeMnNi+10wt%WC粉末预先铺设在试样表面,然后压实,形成预置层,厚度为1mm;
(7)将(6)中的预置层进行激光熔覆处理,参数同(5);
(8)将(7)所得试样用#400的砂纸打磨后,将(1)中配置的CoCrFeMnNi+20wt%WC粉末预先铺设在试样表面,然后压实,形成预置层,厚度为1mm;
(9)将(8)中的预置层进行激光熔覆处理,参数同(5)。
(10)将所得试样空冷至室温。所得产品的性能为:在图3中,其表层的平均硬度为327HV,在不同的亚涂层可以看出硬度存在一定的差距;耐磨性如图4所示,比基体提高了约17.9%。
对比例二
一种激光熔覆制备陶瓷相梯度的单相高熵合金的方法步骤为:
(1)选用Co、Cr、Fe、Mn、Ni元素粉末按等原子比分别与质量分数为0、10wt%、20wt%的SiC均匀混合;金属粉末的纯度均大于99.5%,粒度为100~300目,SiC陶瓷颗粒粒径为8μm;
(2)混合粉末采用低能球磨法制备,具体步骤为:将粉末混合后的粉末分别加入球磨罐中,抽真空,控制球料质量比为5:1,转速为150r/min,球磨时间为2h,将两种粉体混合均匀;所用球磨罐为真空不锈钢罐,所用球为不锈钢球不添加球磨介质。
(3)对45#钢基体进行预处理,具体步骤包括清洗、干燥、用#400和#800的砂纸打磨或喷砂后,用无水乙醇或丙酮清洗表面的杂质与油污;
(4)将(1)中配置的CoCrFeMnNi粉末预先铺设在基体表面,然后压实,形成预置层厚度为1mm;
(5)将(4)中的预置层进行激光熔覆处理,激光功率1000W,光斑直径4mm,扫描速度4mm/s,熔覆过程采用Ar气保护;
(6)将(5)所得试样用#400的砂纸打磨后,将(1)中配置的CoCrFeMnNi+10wt%SiC粉末预先铺设在试样表面,然后压实,形成预置层,厚度为0.5mm;
(7)将(6)中的预置层进行激光熔覆处理,参数同(5);
(8)将(7)所得试样用#400的砂纸打磨后,将(1)中配置的CoCrFeMnNi+20wt%SiC粉末预先铺设在试样表面,然后压实,形成预置层,厚度为1.5mm;
(9)将(8)中的预置层进行激光熔覆处理,参数同(5)。
(10)将所得试样空冷至室温。所得产品的性能为:如图5所示,是制备所得了试样截面金相图,从图中可以看出,预制粉厚度过薄则亚涂层太薄其作用不明显;粉末过厚则亚涂层的成形质量差,且容易出现裂纹孔洞等缺陷。
对比例三
一种激光熔覆制备陶瓷相梯度的单相高熵合金的方法步骤为:
(1)选用Co、Cr、Fe、Mn、Ni元素粉末按等原子比分别与质量分数为0、20wt%的SiC均匀混合;金属粉末的纯度均大于99.5%,粒度为100~300目,SiC陶瓷颗粒粒径为8μm;
(2)混合粉末采用低能球磨法制备,具体步骤为:将粉末混合后的粉末分别加入球磨罐中,抽真空,控制球料质量比为5:1,转速为150r/min,球磨时间为2h,将两种粉体混合均匀;所用球磨罐为真空不锈钢罐,所用球为不锈钢球不添加球磨介质。
(3)对45#钢基体进行预处理,具体步骤包括清洗、干燥、用#400和#800的砂纸打磨或喷砂后,用无水乙醇或丙酮清洗表面的杂质与油污;
(4)将(1)中配置的CoCrFeMnNi粉末预先铺设在基体表面,然后压实,形成预置层厚度为1mm;
(5)将(4)中的预置层进行激光熔覆处理,激光功率1000W,光斑直径4mm,扫描速度4mm/s,熔覆过程采用Ar气保护;
(6)将(5)所得试样用#400的砂纸打磨后,将(1)中配置的CoCrFeMnNi+20wt%SiC粉末预先铺设在试样表面,然后压实,形成预置层,厚度为1mm;
(7)将(6)中的预置层进行激光熔覆处理,参数同(5);
(8)将所得试样空冷至室温。所得产品的性能为:其硬度如图3中对比例三所示,平均硬度约618HV,由于其缺少合适的过渡层,在0.9-1.1mm出存在急剧的硬度变化,导致过渡性差,残余应力,是熔覆层容易开裂。
对比例四
一种激光熔覆制备陶瓷相梯度的单相高熵合金的方法步骤为:
(1)选用Co、Cr、Fe、Mn、Ni元素粉末按等原子比分别与质量分数为0、5wt%SiC+5wt%NbC、10wt%SiC+10wt%NbC均匀混合;金属粉末的纯度均大于99.5%,粒度为100~300目,SiC和NbC陶瓷颗粒粒径为8μm;
(2)混合粉末采用低能球磨法制备,具体步骤为:将粉末混合后的粉末分别加入球磨罐中,抽真空,控制球料质量比为5:1,转速为150r/min,球磨时间为2h,将两种粉体混合均匀;所用球磨罐为真空不锈钢罐,所用球为不锈钢球不添加球磨介质。
(3)对45#钢基体进行预处理,具体步骤包括清洗、干燥、用#400和#800的砂纸打磨或喷砂后,用无水乙醇或丙酮清洗表面的杂质与油污;
(4)将(1)中配置的CoCrFeMnNi粉末预先铺设在基体表面,然后压实,形成预置层厚度为1mm;
(5)将(4)中的预置层进行激光熔覆处理,激光功率1000W,光斑直径4mm,扫描速度4mm/s,熔覆过程采用Ar气保护;
(6)将(5)所得试样用#400的砂纸打磨后,将(1)中配置的CoCrFeMnNi+5wt%SiC+5wt%NbC粉末预先铺设在试样表面,然后压实,形成预置层,厚度为1mm;
(7)将(6)中的预置层进行激光熔覆处理,参数同(5);
(8)将(7)所得试样用#400的砂纸打磨后,将(1)中配置的CoCrFeMnNi+10wt%SiC+10wt%NbC粉末预先铺设在试样表面,然后压实,形成预置层,厚度为1mm;
(9)将(8)中的预置层进行激光熔覆处理,参数同(4)。
(10)将所得试样空冷至室温。所得产品的性能为:图3可以看出,其最外层平均硬度约为533HV;耐磨性如图4所示,比基体提高了约21.4%。由于成分的突变,在亚涂层过渡截面即0.8-0.9mm以及1.5-1.6mm处硬度出现急剧下降的情况。
通过实施例1、2和对比例1可以看出在高熵合金熔覆层中添加陶瓷颗粒可以大幅度提高涂层的硬度和耐磨性,且熔覆层中由于亚层成分的不同,可以看出明显的梯度效果,这证明本发明所优化后的方案取得了意料不到效果(见1、2、3)。
通过实施例1和对比例1可以看出其中相同质量分数,SiC颗粒的添加提升最大。看出这证明本发明所优化后的方案取得了意料不到效果(见图2、3)。
通过实施例1和对比例2可以得出,熔覆层预制粉末的厚度对成形质量有很大的影响,太薄会导致过渡层起不到作用,太厚则会导致表层质量差,甚至出现,裂纹等缺陷。这证明本发明所优化后的方案取得了意料不到效果(见图1、2、5)。
通过施例1和对比例3可以得出,缺少平滑的过渡,会导致性能转变突兀,导致残余应力大。这证明本发明所优化后的方案取得了意料不到效果(见图2、3)。
通过施例1和对比例4可以得出,将陶瓷粉末进行混合添加,在一定程度上会导致硬度及耐磨性的下降。这证明本发明所优化后的方案取得了意料不到效果(见图2、3、4)。

Claims (10)

1.一种陶瓷相梯度的单相高熵合金涂层材料,其特征在于:所述涂层涂覆于基底上,所述涂层的总厚度为1.5~3.0mm,所述涂层由高熵合金和陶瓷颗粒构成;所述高熵合金所含元素及其原子比为:Co:Cr:Fe:Mn:Ni=1:1:1:1:1;沿基底与涂层的接触面至涂层的表面,所述涂层中陶瓷的含量呈梯度递增;所述涂层通过激光熔覆制备;所述陶瓷选自SiC、WC、NbC、B4C中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的一种低成本高硬度梯度高熵合金涂层材料,其特征在于:所述涂层分为2~3个亚涂层,沿基底与涂层的接触面至涂层的表面,将涂层分为第一亚涂层、第二亚涂层、第三亚涂层;亚涂层确定后,该亚涂层中陶瓷颗粒的含量为定值,且均匀分布;所述第一亚涂层中陶瓷颗粒的含量为0~5wt%,所述第二亚涂层中陶瓷颗粒的含量为5~15wt%,所述第三亚涂层中陶瓷颗粒的含量为15~25wt%,且任意两个亚涂层中陶瓷颗粒的含量不相等。
3.根据权利要求2所述的一种陶瓷相梯度的单相高熵合金涂层材料,其特征在于:第一亚涂层的厚度为0.5~0.8mm、第二亚涂层的厚度为0.5~0.8mm,第三亚涂层的厚度为0.8~1.2mm。
4.根据权利要求1所述的一种陶瓷相梯度的单相高熵合金涂层材料,其特征在于:第一亚涂层的厚度:第二亚涂层的厚度:第三亚涂层的厚度=0.5-1.0:0.5-1.0:0.8-1.2、优选为0.5-0.8:0.5-0.8:0.8-1.2。通过各亚涂层厚度以及各亚层厚度比例和成分的优化设计,可以在保证涂层韧性的同时提高其表面的硬度及耐磨性,通过梯度来缓和涂层的韧脆转变。
5.一种如权利要求1-4任意一项所述低成本高硬度梯度高熵合金涂层材料的制备方法;包括下述步骤:
步骤一 配置各亚层所需粉料;
将不同质量分数的陶瓷颗粒分别与高熵合金原料粉末混合均匀;得到第一亚层所需粉料、第二亚层所需粉料、第三亚层所需粉料;所述高熵合金原料由Co、Cr、Fe、Mn、Ni按原子比1:1:1:1:1组成;
步骤二 逐层铺设+激光熔覆
2.1将第一亚层原料粉铺设于基底上,激光熔覆得到第一亚层;
2.2将第二亚层原料粉铺设于第一亚层上,激光熔覆得到第二亚层;
2.3将第三亚层原料粉铺设于第二亚层上,激光熔覆得到第三亚层;
得到第三亚层后冷却。
6.根据权利要求5所述一种低成本高硬度梯度高熵合金涂层材料的制备方法;其特征在于:步骤一中,高熵合金的原料粉末为元素粉末,且元素粉末的纯度大于等于99.5%。
7.根据权利要求5所述一种低成本高硬度梯度高熵合金涂层材料的制备方法;其特征在于:步骤一中,
配取等原子比Co粉、Cr粉、Fe粉、Mn粉、Ni粉;并按质量比,陶瓷/(Co粉+Cr粉+Fe粉+Mn粉+Ni粉)=0-0.05的比例配取陶瓷粉;将配取的粉末加入球磨机中,球磨混合得到第一亚层所需粉料;
配取等原子比Co粉、Cr粉、Fe粉、Mn粉、Ni粉;并按质量比陶瓷/(Co粉+Cr粉+Fe粉+Mn粉+Ni粉)=0.05-0.15的比例配取陶瓷粉;将配取的粉末加入球磨机中,球磨混合得到第二亚层所需粉料;
配取等原子比Co粉、Cr粉、Fe粉、Mn粉、Ni粉;并按质量比陶瓷/(Co粉+Cr粉+Fe粉+Mn粉+Ni粉)=0.15-0.25的比例配取陶瓷粉;将配取的粉末加入球磨机中,球磨混合得到第三亚层所需粉料;
第一亚层所需粉料、第二亚层所需粉料、第三亚层所需粉料中陶瓷的含量不相等;
球磨混料时,控制球料质量比为5:1~10:1,转速为100~150r/min,球磨时间为1h~2h。
8.根据权利要求7所述一种低成本高硬度梯度高熵合金涂层材料的制备方法;其特征在于:Co粉、Cr粉、Fe粉、Mn粉、Ni粉的粒度均为100~300目,陶瓷粉末粒径为1~10μm。
9.根据权利要求5所述一种低成本高硬度梯度高熵合金涂层材料的制备方法;其特征在于:
所述基底为表面清洁干燥的基底;
激光熔覆时,所用激光器为Laserline 4.4KW大功率半导体光纤耦合激光器,激光功率:800-2500W,光斑大小:4mm,扫描速度:3~10mm/s。
10.根据权利要求6-9所述一种低成本高硬度梯度高熵合金涂层材料的制备方法;其特征在于:其耐磨性能比是基体提高了约28.6%,其表层平均硬度可达到645HV。
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