CN114836750A

CN114836750A - 一种耐冲蚀、耐腐蚀高熵合金涂层及其制备方法

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Publication number: CN114836750A
Application number: CN202210457627.4A
Authority: CN
Inventors: 赵建华; 严春妍; 段天泽; 刘思沾; 黄思蜀; 齐天祥
Original assignee: Changzhou Campus of Hohai University
Current assignee: Changzhou Campus of Hohai University
Priority date: 2022-04-28
Filing date: 2022-04-28
Publication date: 2022-08-02

Abstract

本发明公开了一种耐冲蚀、耐腐蚀高熵合金涂层及其制备方法，高熵合金涂层的制备原料按原子百分数计，包括以下组分：16‑20%Al、16‑20%Co、16‑20%Cr、16‑20%Fe、16‑20%Ni、6‑12%Ti；制备方法包括：球磨混合原料金属粉末，球磨后的原料金属粉末置于真空干燥箱进行烘干；将烘干后的原料金属粉末与聚乙烯醇溶液混合搅拌；将混合搅拌后的混合物均匀涂覆在预处理的基体表面，在基体表面形成预置涂层；涂有预置涂层的基体置于真空干燥箱进行除湿烘干；通过激光熔覆方法在基体表面得到高熵合金涂层。本发明的高熵合金涂层具有高硬度、高强度以及优异的耐磨耐蚀性能，从而显著提高基体金属的耐冲蚀、耐腐蚀能力。

Description

一种耐冲蚀、耐腐蚀高熵合金涂层及其制备方法

技术领域

本发明属于涂层技术领域，涉及一种耐冲蚀、耐腐蚀高熵合金涂层及其制备方法。

背景技术

我国水能资源丰富，但部分河流含沙量较高尤其是黄河流域。在多沙河流中运行的水轮机叶片等过流部件面临严重的冲蚀磨损难题。举例而言，不外加保护的水轮机转轮叶片、船舶螺旋桨等部件，通常由低碳钢或低合金钢制造而成，耐冲蚀和耐腐蚀性能都很差。在使用过程中不仅直接承受着水流携带泥沙的冲蚀磨损，还因为水中的溶解氧等物理化学因素而容易发生腐蚀。在冲蚀和腐蚀交互作用下，过流部件表面材料迅速流失、过流性能逐渐恶化，最终导致机组效率降低、运行震动加剧、过流部件报废，影响水轮机组安全运行，增加运行维护成本，甚至威胁到电网的安全运行。

对于上述问题，行业内的解决方案是提高过流部件的抗冲蚀抗腐蚀能力，比如选用兼有较高耐磨能力和一定耐腐蚀能力的马氏体不锈钢（0Cr13Ni5Mo、06Cr16Ni5Mo等）。虽然相比于传统材料，耐冲蚀和耐腐蚀能力有较明显的提高，但同时，采用高合金钢带来部件制造成本显著提高，优势并不突出。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种耐冲蚀、耐腐蚀高熵合金涂层及其制备方法，高熵合金涂层具有高硬度、高强度以及优异的耐磨耐蚀性能，能显著提升水力机械过流部件的耐冲蚀、耐腐蚀能力，从而提高过流部件的安全性和可靠性。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

一种耐冲蚀、耐腐蚀高熵合金涂层，制备原料按原子百分数计，包括以下组分：16-20%Al、16-20%Co、16-20%Cr、16-20%Fe、16-20%Ni、6-12%Ti。

可选的，六种合金元素均为纯度≥99.9%的粉末，粒度200-300目。

一种耐冲蚀、耐腐蚀高熵合金涂层的制备方法，包括以下步骤：

球磨混合原料金属粉末，球磨后的原料金属粉末置于真空干燥箱进行烘干；

将烘干后的原料金属粉末与聚乙烯醇溶液混合搅拌；

将混合搅拌后的混合物均匀涂覆在预处理的基体表面，在基体表面形成预置涂层；

涂有预置涂层的基体置于真空干燥箱进行除湿烘干；

通过激光熔覆的方法在除湿烘干的基体表面得到高熵合金涂层

可选的，还包括：

对形成的高熵合金涂层进行喷砂处理；

将所述混合物涂覆在喷砂处理后的高熵合金涂层表面，形成新的预置涂层；

将涂有新预置涂层的高熵合金涂层基体置于真空干燥箱进行除湿烘干；

通过激光熔覆的方法在除湿烘干的基体表面得到多层彼此搭接的高熵合金涂层。

可选的，基体的预处理包括：铣削打磨、喷砂、除锈和除油。

可选的，将原料金属粉末置于直径5-20mm的氧化铝陶瓷球的球磨机中进行球磨，球磨速度450r/min，每球磨7min停转3min以散热，持续时间至少20h。

可选的，所述聚乙烯醇溶液的质量分数为3-5%。

可选的，所述混合物呈浆糊状，预置涂层的厚度为0.8mm。

可选的，所述激光熔覆的峰值功率2~3kW，脉冲频率10~20Hz，脉冲宽度3~5 ms，扫描速度100~150 mm/s，镜头离焦量-1~1mm，并采用高纯氩气对激光熔覆过程进行保护。

可选的，所述真空干燥箱的烘干温度为90-110℃，球磨后原料金属粉末的烘干时间至少180min，预置涂层的基体烘干时间至少60min。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

本发明提供一种耐冲蚀、耐腐蚀高熵合金涂层，该涂层相结构是简单FCC+BCC（体心立方+面心立方）组成的固溶体，半径较大的Al原子主要起固溶强化作用，涂层表面硬度高达667 HV，超过一般马氏体不锈钢，且塑性良好、层错能低，受到泥沙冲击时表面材料不易剥离，因而耐冲蚀性能极佳；

本发明提供了一种基于激光熔覆的高熵合金涂层制备方法，该方法可以实现涂层与基体金属的冶金结合，结合强度高，得到的涂层表面平整美观，且在生产工艺上具有简单易行、对设备要求低、劳动强度低等优点；

本发明创新性地将高熵合金涂层技术应用于过流部件，克服了低合金钢耐冲蚀、耐腐蚀性能不足，和高合金马氏体不锈钢成本高昂等缺点，提出并实现使用低合金钢制造基体，耐冲蚀、耐腐蚀涂层进行防护的制造路线，具有成本较低、节约贵重金属等突出优势。

附图说明

图1是本发明激光熔覆过程示意图；

图2是本发明高熵合金涂层表面形貌图；

图3是本发明高熵合金涂层冲蚀磨损试验及试样表面受力示意图；

图4是本发明高熵合金涂层与马氏体不锈钢在45°冲蚀角进行试验的对比试验结果；

图5是本发明高熵合金涂层与马氏体不锈钢在90°冲蚀角进行试验的对比试验结果；

图6是本发明高熵合金涂层与06Cr16Ni5Mo不锈钢极化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一：

如图1至6所示，一种耐冲蚀、耐腐蚀高熵合金涂层，制备原料按原子百分比含量计，包括以下组分：Al:Co :Cr :Fe :Ni :Ti =2 : 2 : 2 : 2 : 2 : 1；六种合金元素均为纯度≥99.9%的粉末，粒度200-300目。

实施例二：

如图1至6所示，基于实施例一所述的一种耐冲蚀、耐腐蚀高熵合金涂层，本实施例提供一种耐冲蚀、耐腐蚀高熵合金涂层的制备方法，包括以下步骤：

S1，将基体铣削打磨平整，喷砂以提高表面粗糙度，随后除锈除油，使基体洁净以便进行后续工艺。本实施例的基体优选250×40×10mm³的Q345板材，该材料广泛应用于桥梁和船舶制造；

S2，按比例称取六种金属粉末，将原料金属粉末添加到直径5-20mm的氧化铝陶瓷球的ND7型行星式球磨机进行球磨，球磨速度450r/min，每球磨7min停转3min以散热，持续时间20h；球磨后的原料金属粉末置于100℃的真空干燥箱烘干180min；

S3，烘干后的混合金属粉末与质量分数为4.5wt.%聚乙烯醇溶液混合搅拌成糊状，能够有效地提高粉体的粘结性、附着力和固化强度；

S4，将混合搅拌后的混合物均匀涂覆在预处理的基体表面，在基体表面形成预置涂层，预置涂层的厚度为0.8mm，涂覆后采用刮刀修整；

S5，将涂有预置涂层的基体置于100℃的真空干燥箱除湿烘干60min，

S6，采用激光熔覆的方法在除湿烘干的基体表面得到高熵合金涂层；激光熔覆的峰值功率3kW，脉冲频率20Hz，脉冲宽度3ms，扫描速度140mm/s，离焦量1mm，并采用高纯氩气对熔覆过程进行保护，如图1所示；

S7，对形成的高熵合金涂层进行喷砂处理；

S8，将S3中的糊状混合物涂覆在喷砂处理后高熵合金涂层表面，形成新的预置涂层试样，预置涂层的厚度为0.8mm，涂覆后采用刮刀修整；

S9，将涂有新预置涂层的试样置于100℃的真空干燥箱除湿烘干60min；

S10，采用激光熔覆的方法在除湿烘干的试样表面制备出两层彼此搭接的高熵合金涂层；

S11，依次重复若干次S7、S8、S9和S10，得到多层彼此搭接的高熵合金涂层，以降低基体金属对涂层性能的影响。

经过上述步骤，在Q345表面得到多层Al-Co-Cr-Fe-Ni-Ti高熵合金涂层，外形平整美观，如图2所示；对马氏体不锈钢06Cr16Ni5Mo和本发明的高熵合金涂层做耐冲蚀性能对比试验，如图3所示，冲蚀流体为自来水与河沙构成的固液两相流；结果表明：本发明的高熵合金涂层在45°冲蚀角下试验2 h，质量损失仅为06Cr16Ni5Mo的55%，如图4所示；在90°冲蚀角下试验2 h，质量损失仅为06Cr16Ni5Mo的60%，如图5所示，耐冲蚀磨损性能优异。测定了06Cr16Ni5Mo不锈钢和本发明高熵合金涂层的极化曲线，如图6所示，本发明的高熵合金涂层的耐腐蚀性能也超过了06Cr16Ni5Mo不锈钢。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种耐冲蚀、耐腐蚀高熵合金涂层，其特征在于，制备原料按原子百分数计，包括以下组分：16-20%Al、16-20%Co、16-20%Cr、16-20%Fe、16-20%Ni、6-12%Ti。

2.根据权利要求1所述的一种耐冲蚀、耐腐蚀高熵合金涂层，其特征在于：六种合金元素均为纯度≥99.9%的粉末，粒度200-300目。

3.一种根据权利要求1至2任意一项所述的耐冲蚀、耐腐蚀高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将烘干后的原料金属粉末与聚乙烯醇溶液混合搅拌；

涂有预置涂层的基体置于真空干燥箱进行除湿烘干；

通过激光熔覆的方法在除湿烘干的基体表面得到高熵合金涂层。

4.根据权利要求3所述的一种耐冲蚀、耐腐蚀高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，还包括：

对形成的高熵合金涂层进行喷砂处理；

5.根据权利要求3所述的一种耐冲蚀、耐腐蚀高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，基体的预处理包括：铣削打磨、喷砂、除锈和除油。

6.根据权利要求3所述的一种耐冲蚀、耐腐蚀高熵合金涂层及其制备方法，其特征在于：将原料金属粉末置于直径5-20mm的氧化铝陶瓷球的球磨机中进行球磨，球磨速度450r/min，每球磨7min停转3min以散热，持续时间至少20h。

7.根据权利要求3所述的一种耐冲蚀、耐腐蚀高熵合金涂层及其制备方法，其特征在于：所述聚乙烯醇溶液的质量分数为3-5%。

8.根据权利要求3所述的一种耐冲蚀、耐腐蚀高熵合金涂层及其制备方法，其特征在于：所述混合物呈浆糊状，预置涂层的厚度为0.8mm。

9.根据权利要求3所述的一种耐冲蚀、耐腐蚀高熵合金涂层及其制备方法，其特征在于：所述激光熔覆的峰值功率2~3kW，脉冲频率10~20Hz，脉冲宽度3~5 ms，扫描速度100~150mm/s，离焦量-1~1mm，并采用高纯氩气对激光熔覆过程进行保护。

10.根据权利要求4所述的一种耐冲蚀、耐腐蚀高熵合金涂层及其制备方法，其特征在于：所述真空干燥箱的烘干温度为90-110℃，球磨后原料金属粉末的烘干时间至少180min，预置涂层的基体烘干时间至少60min。