CN114032544B - 一种难熔高熵合金涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种难熔高熵合金涂层，其特征在于，由下述原料制备而成：Ti：4％～20％、Zr：20％、Mo：20％、Nb：20％、Cr：20％；本发明提供了由Ti、Zr、Mo、Nb和Cr五种高熔点金属元素组成的高熵合金涂层，高硬度，高强度，高韧性，低温下的高塑性，以及优异的耐磨损、耐氧化、耐腐蚀性等，以针对不同工况下更好的应用；能综合的改善改善钛合金的高温服役性能，提升其表面的强度、以及其耐高温性、抗氧化性。
Description
技术领域
本发明涉及激光表面改性领域，具体涉及一种难熔高熵合金涂层及其制备方法。
背景技术
为了改善钛合金的高温服役性能，近年来越来越多的研究者们致力于涂层的表面改性领域，主要包括：离子注入法、喷涂法、气相沉积法、镀层法、激光熔覆法等。其中激光熔覆法具有高加热速率和高冷却速率、基体热影响区小、涂层与基体冶金结合强度高、涂层厚度可调、熔覆层材料可选择范围广等优点。而多主元高熵合金是由至少五种元素按照等原子比或接近等原子的方法制备而成的新型合金，最终形成简单而稳定的FCC或BCC固溶体结构，甚至得到非晶相结构。
现目前，运用表面涂层改善钛合金的高温服役性能的形式及涂层材料多种多样，但是普片存在强度低、高温耐磨性、抗氧化性较差的情况。
为此，需要一种能克服上述合金涂层存在不足的高强度的、耐高温的、抗氧化性较强的合金涂层，改善钛合金的高温服役性能。
发明内容
为了解决上述技术问题本发明提供了一种难熔高熵合金涂层，以解决上述的传统合金涂层用于钛合金表面改性时强度低、高温耐磨性、抗氧化性较差的问题。
为了达到解决上述技术问题的技术效果，本发明是通过以下技术方案实现的：一种难熔高熵合金涂层，其特征在于，由下述原料制备而成：Ti：4％～20％、Zr：20％：、Mo：20％、Nb：20％、Cr：20％；
进一步的，所述Ti元素具体含量分别为4％，8％，12％，18％、20％；
本发明的又一目的在于提供一种难熔高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，包括：
S1将TC4(Ti-6Al-4V)基体表面经过除锈除油处理，使基片表面清洁平整且具有一定的粗糙度；
S2将各粉末混合后，进行真空球磨，粉末粒径为180～300目；
S3并将得到合金粉末与5～10％的无水乙醇混合，均匀涂覆在基体表面，行成预制层；
S4放入干燥箱中10小时后通过激光熔覆即获得熔覆层；
进一步的，所述真空球磨时间不少于3小时；
进一步的，所述预制涂层厚度为1.0mm；
进一步的，所述激光熔覆时的工艺参数为：激光功率为3700W，扫描速度为350mm/min，光斑直径为3.0mm，离焦量为20mm，保护气体采用氩气，气体流量为8L/min；
本发明的有益效果：
1、本发明提供了由Ti、Zr、Mo、Nb和Cr五种高熔点金属元素组成的高熵合金涂层，高硬度，高强度，高韧性，低温下的高塑性，以及优异的耐磨损、耐氧化、耐腐蚀性等，以针对不同工况下更好的应用；能综合的改善改善钛合金的高温服役性能，提升其表面的强度、以及其耐高温性、抗氧化性。
2、本发明采用激光熔覆制备的涂层与基体形成冶金结合，涂层形貌良好，无明显孔洞和裂纹，为等轴晶组织；能均匀致密的覆盖于机体外表面，有益于提升其合金涂层用于表面改性的综合性能；
3、将激光熔覆法与高熵合金的优势结合起来，制备出的涂层与基体结合强度高，性能优异，不仅使用成本较低，而且可以充分改善低成本金属材料所具备的不足。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一种难熔高熵合金涂层激光熔覆示意图；
图2为一种难熔高熵合金涂层的实施例1中涂层与基体结合区微观组织图；
图3为一种难熔高熵合金涂层的实施例1中涂层区微观组织图；
图4为一种难熔高熵合金涂层的实施例1中涂层与基体平均硬度图；
图5为一种难熔高熵合金涂层的实施例1中涂层磨损失重与摩擦系数图；
图6为一种难熔高熵合金涂层的实施例1中涂层氧化动力学曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种难熔高熵合金涂层，其成分由Ti、Zr、Mo、Nb、Cr五种高熔点金属粉末组成，其中各组分摩尔比为Ti：4％～20％、Zr：20％：、Mo：20％、Nb：20％、Cr：20％；
其中，选取Ti元素具体含量为4％，8％，12％，18％、20％进行分组制备实验；
一种难熔高熵合金涂层制备方法，包括以下步骤：
(1)将各个粉末按比例混合后，真空球磨3小时，使粉末充分混合均匀；
(2)将步骤(1)得到的合金粉末与无水乙醇混合，得到涂覆材料，其由质量百分数92％的合金粉末与8％的无水乙醇组成；
(3)TC4基材采用200～400目砂纸粗磨去除表面氧化皮，再经超声酒精清洗以去除表面污渍。将混合好的粉末预制在基材上，预制层厚度为1.0mm，放入干燥相中干燥10小时；
(4)将干燥后的粉末与基体进行激光熔覆获得涂层，其中激光熔覆工艺参数为：激光功率为3700W，扫描速度为350mm/min，光班直径为3mm、离焦量为20mm、保护气体采用氩气，气体流量为8L/min。
实施例2
基于上述实施1所述，将其得到的试样线切割制成熔覆层样品，并用王水腐蚀样品1min，进行下一步微观表征与性能测试；
(1)将实施例1中得到的涂层用SEM进行拍摄观察，发现涂层组织致密均匀，无明显缺陷，大致为等轴晶组织；
采用HVS-1000A型显微硬度仪分别测量五种成分涂层的显微硬度，如图4所示，随着Ti含量的增加，硬度呈增长趋势，其中当Ti含量为20％时显微硬度最高，平均硬度可达1066.7HV；
(2)对实施例1中得到的涂层进行高温摩擦磨损实验，测试温度为600℃，摩擦副为5mm的Si3N4，载荷5N，测试频率为0.1Hz，测试时间为20min，之后得到各涂层的磨损失重情况，如图5所示，可以看出Ti含量为20％时，涂层摩擦系数最小为0.23，磨损失重为0.65mg，大概为基体的1/2；
(3)采用管式电阻炉测量实施例1所得高熵合金涂层的高温抗氧化性，测试温度为800℃，测试时间为100h，得到氧化动力学曲线如图6所示，可以看出当Ti含量为20％时，涂层的抗氧化性最好(12.36mg/(cm3)-1)，氧化增重不足基体(38.44mg/(cm3)-1)的1/3。
得出，一种难熔高熵合金涂层各组分摩尔比为Ti：20％、Zr：20％：、Mo：20％、Nb：20％、Cr：20％时，该合金涂层各方面综合性能最佳。
综上所述，1、本发明提供了由Ti、Zr、Mo、Nb和Cr五种高熔点金属元素组成的高熵合金涂层，高硬度，高强度，高韧性，低温下的高塑性，以及优异的耐磨损、耐氧化、耐腐蚀性等，以针对不同工况下更好的应用；能综合的改善改善钛合金的高温服役性能，提升其表面的强度、以及其耐高温性、抗氧化性。
2、本发明采用激光熔覆制备的涂层与基体形成冶金结合，涂层形貌良好，无明显孔洞和裂纹，为等轴晶组织；能均匀致密的覆盖于机体外表面，有益于提升其合金涂层用于表面改性的综合性能；
3、将激光熔覆法与高熵合金的优势结合起来，制备出的涂层与基体结合强度高，性能优异，不仅使用成本较低，而且可以充分改善低成本金属材料所具备的不足。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (6)
1.一种难熔高熵合金涂层，其特征在于，由下述原料制备而成：Ti：4％～20％、Zr：20％：、Mo：20％、Nb：20％、Cr：20％。
2.根据权利要求1所述一种难熔高熵合金涂层，其特征在于，所述Ti元素具体含量分别为4％，8％，12％，18％、20％。
3.根据权利要求1至2任意一项所述一种难熔高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，包括：
S1将TC4(Ti-6Al-4V)基体表面经过除锈除油处理，使基片表面清洁平整且具有一定的粗糙度；
S2将各粉末混合后，进行真空球磨，粉末粒径为180～300目；
S3并将得到合金粉末与5～10％的无水乙醇混合，均匀涂覆在基体表面，行成预制层；
S4放入干燥箱中10小时后通过激光熔覆即获得熔覆层。
4.根据权利要求3所述一种难熔高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，所述真空球磨时间不少于3小时。
5.根据权利要求3所述一种难熔高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，所述预制涂层厚度为1.0mm。
6.根据权利要求3所述一种难熔高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，所述激光熔覆时的工艺参数为：激光功率为3700W，扫描速度为350mm/min，光斑直径为3.0mm，离焦量为20mm，保护气体采用氩气，气体流量为8L/min。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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