CN114990409A - 一种耐磨高熵合金涂层及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耐磨高熵合金涂层及其制备方法和应用，属于金属涂层材料与表面改性技术领域。本发明选用激光熔覆技术制备质量优异的高熵合金涂层，该涂层的相结构为单一的体心立方(BCC)固溶体结构，其中Fe、Cr、Mn作为此体系高熵合金中的基础元素可以使得涂层和基体(1Cr13马氏体不锈钢)有更好得润湿性，增强结合力；Fe、Cr、Mn、V四种元素都属于过渡金属元素，原子半径差和价电子浓度差都很小，加入Al元素有效提高涂层的耐摩擦磨损性能。同时，本发明还具有制备流程简单，易操作，重复性强，粉末成本较低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种耐磨高熵合金涂层及其制备方法和应用，属于金属涂层材料与表面改性技术领域。
背景技术
工业应用材料的重要性能指标就是材料的表面相关性质，各种表面应用改性技术可以经济有效的达到提升基础合金在各种苛刻条件下服役性能的目的，例如，制备特种涂层材料来提升基体材料的耐腐蚀、耐摩擦磨损、抗高温抗氧化性。并且涂层材料的表面质量对耐用性和性能的影响更大，在设计上是不可忽视的。现有技术中高熵合金涂层已被开发用于汽车制造、核领域和航空航天领域，通常高熵合金(HEA)至少是由四种元素或者是四种元素以上的原子以相等或几乎相等的摩尔比组成，尽管其包含多种成分，但HEA会形成简单但化学无序的固溶体，固溶体大多数由面心立方(FCC)、体心立方(BCC)或六方密排(HCP)晶体结构组成，且多组分HEA的较低成本有利于其在涂层材料中的应用。最常见的涂层制备方法是激光熔覆、磁控溅射、热喷涂等，其中激光熔覆法制备的高熵合金涂层稀释率小、组织致密以及涂层和基体的结合度良好。激光熔覆利用高能密度的激光束将基材表面与添加的熔覆材料一起快速加热和冷凝，从而形成了一种与基体冶金结合的高熵合金涂层，具有结合强度强、凝固速度快、成分均匀等诸多优点。对于高熵合金涂层材料的耐磨应用，主要目标是通过给基体材料增加一层可以起到保护作用的涂层，来达到优先磨损涂层，此时如何通过激光熔覆技术来提高高熵合金涂层的耐摩擦磨损性能就显得尤为重要了。
发明内容
本发明的目的是提供一种耐磨高熵合金涂层及其制备方法和应用，具体的利用激光熔覆技术制备出具有优异的耐磨性能的涂层。
本发明的技术方案：
一种耐磨高熵合金涂层，该涂层是成分为FeCrMnVAlx的体心立方BCC结构的固溶体相，其中Fe、Cr、Mn、V和Al的原子百分比的比为1:1:1:1:x，x为0～2.0，且各组分的原子百分比总和为100at％。
进一步限定，x为1.0～2.0。
一种上述耐磨高熵合金涂层的制备方法，该方法为：采用激光熔覆技术对预制高熵合金粉末层进行熔覆处理。
进一步限定，激光熔覆处理条件为：光斑直径为2.0～3.0mm，激光功率为800～1200W，扫描速度为7～10mm/s。
更进一步限定，激光熔覆处理条件为：激光功率为800KW，光斑直径为2mm，扫描速度为10mm/min。
进一步限定，预制高熵合金粉末层的制备过程为：将铁粉、铬粉、锰粉、钒粉和铝粉混合后平铺在模具中，将基体嵌入模具中压实，在基体表面形成预制高熵合金粉末层。
更进一步限定，铁粉、铬粉、锰粉、钒粉和铝粉的摩尔比为1：1：1：1：(0～2.0)。
更进一步限定，铁粉、铬粉、锰粉、钒粉和铝粉的摩尔比为1：1：1：1：1.0。
更进一步限定，铁粉、铬粉、锰粉、钒粉和铝粉的纯度均为99wt.％。
更进一步限定，铁粉、铬粉、锰粉、钒粉和铝粉的初始粒度为100～500目。
更进一步限定，预制高熵合金粉末层的厚度为1～2mm。
更进一步限定，基体为1Cr13马氏体不锈钢。
本发明有益效果：
(1)本发明选用激光熔覆技术制备质量优异的高熵合金涂层，该涂层的相结构为单一的体心立方(BCC)固溶体结构，其中Fe、Cr、Mn作为此体系高熵合金中的基础元素可以使得涂层和基体有更好得润湿性，增强结合力；Fe、Cr、Mn、V四种元素都属于过渡金属元素，原子半径差和价电子浓度差都小于非过渡金属元素Al，Al元素加入高熵合金系统可以促进BCC相的形成，BCC相对于其他相结构耐磨性能更好。另外，Al能提高合金体系的机械性能，还能在磨损过程中优先产生氧化铝保护膜，从而降低摩擦磨损。
(2)本发明的高熵合金涂层具有良好的耐摩擦磨损性能，且制备流程简单，易操作，重复性强，粉末成本较低等优点。
附图说明
图1为实施例1～实施例3制备的涂层的XRD曲线图；
图2为实施例1～实施例3制备的涂层的摩擦系数曲线；
图3为实施例1～实施例3制备的涂层的磨损量。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。
铁粉(Fe)：纯度99％，粒度44μm，厂家：上海攀田粉体材料有限公司；
铬粉(Cr)：纯度99％，粒度44μm，厂家：上海攀田粉体材料有限公司；
锰粉(Mn)：纯度99％，粒度44μm，厂家：上海攀田粉体材料有限公司；
钒粉(V)：纯度99％，粒度44μm，厂家：上海攀田粉体材料有限公司；
铝粉(Al)：纯度99％，粒度44μm，厂家：上海攀田粉体材料有限公司。
实施例1：
(1)基体预处理：金相磨抛机将基体(1Cr13马氏体不锈钢)的待熔覆面打磨至800#以达到去除基体表面氧化物和污垢的目的，然后用乙醇清洗后放进真空烘箱待用。
(2)按照摩尔比进行FeCrMnVAlx(x＝0)高熵合金粉末配比：Fe 25％、Cr 25％、Mn25％、V 25％，采用电子天平称取各金属粉末。
(3)将各金属粉末混合均匀后平铺在模具中，将经过步骤(1)处理后的基体嵌入模具中压实，在基体表面形成预制高熵合金粉末层，预制高熵合金粉末层的厚度为3mm。
(4)选择激光器采用RFL-C4000X型连续波输出式光纤激光器对预制高熵合金粉末层进行激光熔覆。激光熔覆工艺参数：激光功率为800KW，光斑直径为2mm，扫描速度为10mm/s。获得FeCrMnVAlx(x＝0)高熵合金涂层，简称为FeCrMnVAl0。
(5)对获得的FeCrMnVAl0高熵合金涂层表层表面磨抛至镜面，进行后续表征和测试。
表征和测试：
①XRD测试，结果如图1中Al0曲线所示，证明获得的涂层为高熵合金，且该高熵合金涂层Al0是单一的BCC固溶体相。
②摩擦磨损测试，涂层和基材的磨损行为通过CFT-1超功能磨损测试仪。测试条件为：滑动时间为30min，转速为300rpm/min，摩擦半径为3mm，施加的载荷为4N。选择一个坚硬的Si3N4陶瓷球(直径5mm)作为对应物，并在每次测试后更换为新的陶瓷球。摩擦系数在滑动过程中由试验机详细记录，本实施例获得的FeCrMnVAl0高熵合金涂层得摩擦系数(COF)如图2中Al0曲线和图3所示，由图可知，与基材1Cr13钢(Substrate曲线)相比，Al0高熵合金涂层的摩擦系数和磨损率有所降低。
实施例2：
(1)基体预处理：金相磨抛机将基体(1Cr13马氏体不锈钢)的待熔覆面打磨至800#以达到去除基体表面氧化物和污垢的目的，然后用乙醇清洗后放进真空烘箱待用。
(2)按照摩尔比进行FeCrMnVAlx(x＝1.0)高熵合金粉末配比：Fe 20％、Cr 20％、Mn 20％、V 20％、Al 20％，采用电子天平称取各金属粉末。
(3)将各金属粉末混合均匀后平铺在模具中，将经过步骤(1)处理后的基体嵌入模具中压实，在基体表面形成预制高熵合金粉末层，预制高熵合金粉末层的厚度为3mm。
(4)选择激光器采用RFL-C4000X型连续波输出式光纤激光器对预制高熵合金粉末层进行激光熔覆。激光熔覆工艺参数：激光功率为800KW，光斑直径为2mm，扫描速度为10mm/s。获得FeCrMnVAlx(x＝1.0)高熵合金涂层，简称为FeCrMnVAl1.0。
(5)对获得的FeCrMnVAl1.0高熵合金涂层表层表面磨抛至镜面，进行后续表征和测试。
表征和测试：
①XRD测试，结果如图1中Al1.0曲线所示，证明获得的涂层为高熵合金，且该高熵合金涂层Al1.0是单一的BCC固溶体相。
②摩擦磨损测试，涂层和基材的磨损行为通过CFT-1超功能磨损测试仪。测试条件为：滑动时间为30min，转速为300rpm/min，摩擦半径为3mm，施加的载荷为4N。选择一个坚硬的Si3N4陶瓷球(直径5mm)作为对应物，并在每次测试后更换为新的陶瓷球。摩擦系数在滑动过程中由试验机详细记录，本实施例获得的FeCrMnVAl1.0高熵合金涂层得摩擦系数(COF)如图2中Al1.0曲线和图3所示，可以看出，与Substrate和Al0高熵合金涂层相比，Al1.0高熵合金涂层的摩擦系数和磨损率更低。
实施例3：
(1)基体预处理：金相磨抛机将基体(1Cr13马氏体不锈钢)的待熔覆面打磨至800#以达到去除基体表面氧化物和污垢的目的，然后用乙醇清洗后放进真空烘箱待用。
(2)按照摩尔比进行FeCrMnVAlx(x＝2.0)高熵合金粉末配比：Fe 16.7％、Cr16.7％、Mn 16.7％、V 16.7％，Al 33.2％，采用电子天平称取各金属粉末。
(3)将各金属粉末混合均匀后平铺在模具中，将经过步骤(1)处理后的基体嵌入模具中压实，在基体表面形成预制高熵合金粉末层，预制高熵合金粉末层的厚度为3mm。
(4)选择激光器采用RFL-C4000X型连续波输出式光纤激光器对预制高熵合金粉末层进行激光熔覆。激光熔覆工艺参数：激光功率为800KW，光斑直径为2mm，扫描速度为10mm/s。获得FeCrMnVAlx(x＝2.0)高熵合金涂层，简称为FeCrMnVAl2.0。
(5)对获得的FeCrMnVAl2.0高熵合金涂层表层表面磨抛至镜面，进行后续表征和测试。
表征和测试：
①XRD测试，结果如图1中Al2.0曲线所示，证明获得的涂层为高熵合金，且该高熵合金涂层Al2.0是单一的BCC固溶体相。
②摩擦磨损测试，涂层和基材的磨损行为通过CFT-1超功能磨损测试仪。测试条件为：滑动时间为30min，转速为300rpm/min，摩擦半径为3mm，施加的载荷为4N。选择一个坚硬的Si3N4陶瓷球(直径5mm)作为对应物，并在每次测试后更换为新的陶瓷球。摩擦系数在滑动过程中由试验机详细记录，本实施例获得的FeCrMnVAl2.0高熵合金涂层得摩擦系数(COF)如图2中Al2.0曲线和图3所示，可以看出，与Substrate、Al0和Al1.0高熵合金涂层相比，Al2.0高熵合金涂层的摩擦系数和磨损率有最低。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，鉴于本发明所属领域的技术人员可以对上述实施方式进行适当的变更和修改，因此，本发明并不局限于上面所述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种耐磨高熵合金涂层，其特征在于，该涂层是成分为FeCrMnVAlx的体心立方BCC结构的固溶体相，其中Fe、Cr、Mn、V和Al的原子百分比的比为1:1:1:1:x，x为0～2.0，且各组分的原子百分比总和为100at％。
2.根据权利要求1所述的耐磨高熵合金涂层，其特征在于，x为1.0～2.0。
3.一种权利要求1所述的耐磨高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，该方法为：采用激光熔覆技术对预制高熵合金粉末层进行熔覆处理。
4.根据权利要求3所述的耐磨高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，激光熔覆处理条件为：光斑直径为2.0～3.0mm，激光功率为800～1200W，扫描速度为7～10mm/s。
5.根据权利要求4所述的耐磨高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，激光熔覆处理条件为：激光功率为800KW，光斑直径为2mm，扫描速度为10mm/min。
6.根据权利要求3所述的耐磨高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，预制高熵合金粉末层的制备过程为：将铁粉、铬粉、锰粉、钒粉和铝粉混合后平铺在模具中，将基体嵌入模具中压实，在基体表面形成预制高熵合金粉末层。
7.根据权利要求6所述的耐磨高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，铁粉、铬粉、锰粉、钒粉和铝粉的纯度均为99wt.％。
8.根据权利要求6所述的耐磨高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，铁粉、铬粉、锰粉、钒粉和铝粉的初始粒度为100～500目。
9.根据权利要求6所述的耐磨高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，基体为1Cr13马氏体不锈钢。
10.一种权利要求1所述的耐磨高熵合金涂层的应用，其特征在于，用于基体表面涂覆提高基体耐磨性能。
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