CN115386779A

CN115386779A - 一种陶瓷相与高熔点相协同增强高熵合金涂层及其制备方法

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Publication number: CN115386779A
Application number: CN202211087061.7A
Authority: CN
Inventors: 赵伟; 于克东; 张辉; 郭宁; 高嵩; 李镇
Original assignee: Qilu University of Technology
Current assignee: Qilu University of Technology
Priority date: 2022-09-06
Filing date: 2022-09-06
Publication date: 2022-11-25
Anticipated expiration: 2042-09-06
Also published as: CN115386779B

Abstract

本发明公开了一种陶瓷相与高熔点相协同增强高熵合金涂层及其制备方法，陶瓷相与高熔点相协同增强高熵合金涂层，由固溶相组成元素Fe、Al、Co、Cr、Ni和陶瓷相组成元素Ti、C以及Mo、Nb、Ta、V或W中的一种或多种高熔点元素，通过涂覆基体，然后激光熔覆制备而成，本发明实现了激光熔覆技术与先进的高熵合金材料相结合，促进了高熵合金在材料表面工程上的广泛应用，大幅度提高了材料的硬度及耐磨性能，获得具有高硬度、优异的耐磨性和耐蚀性能的合金涂层。

Description

一种陶瓷相与高熔点相协同增强高熵合金涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及涂层领域，具体是陶瓷相与高熔点相协同增强高熵合金涂层及其制备方法。

背景技术

高熵合金是由至少五种主要元素组成的体系，在等原子或不等原子数量的混合物中形成完整的固溶体，而传统的合金主要由一或两种元素组成。前人的研究表明，由于高熵值、原子扩散困难、易获得晶体结构相对简单的固溶相，高硬度、耐高温、优异的耐磨性和良好的抗氧化性等突出性能，这使得它成为一种潜在的应用，可作为金属材料的保护涂层。

TiC具有良好的物理和化学性能，包括高强度和耐腐蚀性，使其成为制备金属基复合材料的优良增强相。与其他高熔点元素相比，Ti和C的ΔH_mix值最低，因此Ti和C倾向于结合并形成TiC。之前利用TiC增强涂层是通过在复合材料制备过程中添加TiC来完成的。然而，增强相与基体之间的润湿性是影响制备过程的主要因素，润湿性差会造成界面结合不良，导致材料断裂。此外，增强相与基体之间容易发生界面反应和原子扩散，严重影响复合材料的力学性能。而原位生成的加固阶段可以避免上述缺点。

一般来说高熔点元素的熔点和杨氏模量远高于其他形成元素，通过添加高熔点元素可以使复合材料具有更高的熔点和杨氏模量，从而具有更好的热稳定性的强度。另外，高熔点元素固溶于基体中导致晶格畸变增强，提高了涂层的机械性能。因此，开发一种陶瓷相与高熔点相协同增强高熵合金具有重要的意义。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本发明提供陶瓷相与高熔点相协同增强高熵合金涂层及其制备方法。

本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：

本发明的一个方面提供一种陶瓷相与高熔点相协同增强高熵合金涂层，包括：所述涂层涂覆于基体上，所述涂层的总厚度为0.3-1.5mm，所述涂层由固溶相、陶瓷相和高熔点相构成，所述固溶相组成元素为Fe、Al、Co、Cr、Ni，所述陶瓷相的组成元素为Ti、C，所述高熔点相由X组成，所述X组成元素为Mo、 Nb、Ta、V或W中的一种或多种。

进一步的，所述固溶相组成元素Fe由基体稀释而来，所述固溶相组成元素 Al、Co、Cr、Ni的摩尔比为1:1:1:1，所述陶瓷相组成元素Ti、C分别与X的摩尔比为(1-4):(1-4)，陶瓷相和高熔点相物质量之和占除Fe之外整个涂层组成元素物质量之和的20-50％。

进一步的，所述基体为碳钢。

进一步的，所述涂层由Al、Co、Cr、Ni、Ti、C和X混粉后激光熔覆制备而成。

根据本发明的一个方面，提供一种陶瓷相与高熔点相协同增强高熵合金涂层的制备方法，包括以下步骤：

S1：使用砂纸对基体表面进行打磨，将打磨后的基体烘干备用；

S2：按照摩尔比例对Al、Co、Cr、Ni、Ti、C、X粉末称粉，然后均匀混合，使用粘结剂将合金粉末均匀涂覆在基体表面，预制层厚度为0.3-1.5mm，涂覆完成后，进行晾干并烘干处理；

所述X粉末为Mo、Nb、Ta、V或W粉末中的至少一种；

S3：采用激光体作为热源，进行激光熔覆制备，得到陶瓷相与高熔点相协同增强高熵合金耐磨涂层。

步骤S1中，对步骤①中依次使用80#、180#、320#、600#SiC砂纸对基体表面进行打磨，得到打磨后的集体表面打磨后清洗，吹干，然后烘干。

所述基体为碳钢。

所述基体为Q235钢。

步骤S1中所述烘干条件为烘干箱中预热200℃、烘干2小时，步骤S2中所述烘干处理条件为烘干箱中预热70℃、烘干2小时；步骤S2中所述均匀混合的方式为V型混粉机进行2小时的均匀混合。

步骤S2中，所述Al、Co、Cr、Ni的摩尔比为1:1:1:1，所述Ti、C分别与X的摩尔比为(1-4):(1-4)，粉末纯度大于99.9％，粒径均为100-200目。

步骤S2中所述的粘结剂为水玻璃；

优选的，所述涂层预制厚度为0.3-1.5mm。

优选的，所述涂层预制厚度为1.0mm。

优选的，所述的粉末配比为Al、Co、Cr、Ni的摩尔比为1:1:1:1，Ti、C分别与X的摩尔比为(1-4):(1-4)，Ti、C和X物质量之和占除Fe之外整个涂层组成元素物质量之和的20-50％。

步骤S3中，激光熔覆的工艺参数为：扫描速度为15-24mm/s、功率为 1000-2000W、保护气流量为10L/min、离焦量为35mm和搭接率为30％。

优选的，所述的功率为1000W，扫描速度为18mm/s。

所述的激光熔覆采用YLS-10000激光加工系统。

对比与现有技术，本发明有益效果在于：

1、本发明提供了一种激光熔覆制备陶瓷相与高熔点相协同增强高熵合金

涂层的方法，实现了激光熔覆技术与先进的高熵合金材料相结合，克服了传统工艺中润湿性导致的材料易断裂问题，促进了高熵合金在材料表面工程上的广泛应用。

2、本发明制备的陶瓷相与高熔点相协同增强高熵合金涂层，显著提高了涂层的耐磨性能和耐蚀性能。

3、本发明在基体表面制备的陶瓷相与高熔点相协同增强高熵合金涂层能有效提高基体材料的硬度和耐磨性能。

附图说明

附图1是本发明提供的陶瓷相与高熔点相协同增强高熵合金涂层制备方法流程图；

附图2是本发明实例制备的AlCoCrFeNiMo(TiC)高熵合金涂层的XRD衍射图；

附图3是本发明实例制备的AlCoCrFeNiMo(TiC)高熵合金涂层中上部的金相图；

附图4是本发明实例制备的AlCoCrFeNiMo(TiC)高熵合金涂层硬度数据的柱状图；

附图5是Q235钢和本发明实例制备的AlCoCrFeNiMo(TiC)高熵合金磨损失重柱状图，图中右侧柱状图为Q235钢的磨损量，图中左侧柱状图为 AlCoCrFeNiMo(TiC)高熵合金涂层的磨损量；

附图6是Q235钢和本发明实例制备的AlCoCrFeNiMo(TiC)高熵合金动电位极化曲线，图中偏右侧曲线为Q235钢的动电位极化曲线，图中偏左侧曲线为 AlCoCrFeNiMo(TiC)高熵合金涂层的动电位极化曲线。

具体实施方式

结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例：陶瓷相与高熔点相协同增强高熵合金涂层的制备

(1)基体预处理

①基体材料采用尺寸为50mm×50mm×6mm的Q235钢块，使用80#、180#、 320#、600#SiC砂纸依次对基体表面进行打磨，得到打磨后的基体。

②打磨后的基体进行清洗、吹干，然后放在烘干箱中预热200℃、烘干2小时，备用。

(2)预制粉末

①选择陶瓷相元素Al、Co、Cr、Ni、Ti、C和高熔点元素Mo七种元素粉末，粉末纯度大于99.9％，粒径均为100-200目，按照1:1:1:1:1:1:1的摩尔比称粉后(铁元素通过基体的稀释来获取)，利用V型混粉机进行2小时的均匀混合。

②采用预制粉末法进行合金涂层制备，用水玻璃将混匀的粉末涂覆在基体表面，涂覆完成后，进行晾干，并烘干处理，烘干温度为70℃，烘干时间为2小时。

(3)激光熔覆：

采用YLS-10000激光加工系统，激光体作为热源，在扫描速度为18mm/s、功率为1000W、保护气流量为10L/min、离焦量为35mm和搭接率为30％的条件下进行熔覆，得到陶瓷相与高熔点相协同增强高熵合金耐磨涂层。

采用超景深显微镜对本实施例制备的陶瓷相与高熔点相协同增强高熵合金涂层的显微结构进行表征，采用显微硬度计在200g，保持时间为15s的条件下，测定了涂层的显微硬度，使用三电极电化学工作站(Gamary Interface 1000)在3.5 wt％的NaCl溶液中对涂层进行腐蚀试验，在电位变化范围为-1.0V-0.5V(vs OCP)，扫描速度为0.5mV/s的条件下，进行动电位极化曲线的测试。

图2是本实例制备的AlCoCrFeNiMo(TiC)高熵合金涂层的XRD衍射图，从图2 可以看出，涂层的相由BCC相和TiC构成，没有出现金属间化合物的衍射峰。

图3是本发明实例制备的AlCoCrFeNiMo(TiC)高熵合金涂层中上部的金相图，从图3可以看出，涂层的金相组织为细小的等轴晶，原位生成的TiC在晶界和晶内分布。

图4本发明实例制备的AlCoCrFeNiMo(TiC)高熵合金涂层平均硬度图，从图4 以看出，AlCoCrFeNiMo(TiC)高熵合金涂层的硬度为68.0HRC。涂层的硬度高，原位自生的TiC颗粒的弥散强化作用和高熔点元素的固溶强化作用协同提高了 AlCoCrFeNi基高熵合金硬度。

图5是Q235钢和本发明实例制备的AlCoCrFeNiMo(TiC)高熵合金磨损失重柱状图，从图5可以看出，在25℃、60min的磨损条件下，磨损量仅为0.0084mg；而Q235基体的磨损量为0.13mg。因此，本发明可以有效提高材料的耐磨性。

图6是Q235钢和本发明实例制备的AlCoCrFeNiMo(TiC)高熵合金动电位极化曲线，表1为图6的拟合结果，由拟合结果可知，AlCoCrFeNiMo(TiC)高熵合金涂层的耐蚀性约为Q235钢基体的130倍，说明涂层具有优异的耐蚀性。

	腐蚀电位(V)	腐蚀电流密度(A·cm<sub>-2</sub>)
			AlCoCrFeNiMo(TiC)	-0.2798	3.06×10<sup>-7</sup>
Q235钢	-0.631	3.98×10<sup>-5</sup>

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能。

Claims

1.一种陶瓷相与高熔点相协同增强高熵合金涂层，其特征在于：所述涂层涂覆于基体上，所述涂层的总厚度为0.3-1.5mm，所述涂层由固溶相、陶瓷相和高熔点相构成，所述固溶相组成元素为Fe、Al、Co、Cr、Ni，所述陶瓷相的组成元素为Ti、C，所述高熔点相由X组成，所述X组成元素为Mo、Nb、Ta、V或W中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述的陶瓷相与高熔点相协同增强高熵合金涂层，其特征在于，所述固溶相组成元素Fe由基体稀释而来，所述固溶相组成元素Al、Co、Cr、Ni的摩尔比为1:1:1:1，所述陶瓷相组成元素Ti、C分别与X的摩尔比为(1-4):(1-4)，陶瓷相和高熔点相物质量之和占除Fe之外整个涂层组成元素物质量之和的20-50％。

3.根据权利要求1所述的陶瓷相与高熔点相协同增强高熵合金涂层，其特征在于，所述基体为碳钢。

4.根据权利要求1所述的陶瓷相与高熔点相协同增强高熵合金涂层，其特征在于，所述涂层由Al、Co、Cr、Ni、Ti、C和X混粉后，经激光熔覆制备而成。

5.一种如权利要求1-4任一项所述陶瓷相与高熔点相协同增强高熵合金涂层的制备方法，包括如下步骤：

所述X粉末为Mo、Nb、Ta、V或W粉末中的至少一种；

6.根据权利要要求5所述的陶瓷相与高熔点相协同增强高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，激光熔覆的工艺参数为：扫描速度为15-24mm/s、功率为1000-2000W、保护气流量为10L/min、离焦量为35mm和搭接率为30％。

7.根据权利要要求5所述的陶瓷相与高熔点相协同增强高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，所述基体为碳钢。

8.根据权利要要求5所述的陶瓷相与高熔点相协同增强高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述烘干条件为烘干箱中预热200℃、烘干2小时，步骤S2中所述烘干处理条件为烘干箱中预热70℃、烘干2小时；步骤S2中所述均匀混合的方式为V型混粉机进行2小时的均匀混合。

9.根据权利要要求5所述的陶瓷相与高熔点相协同增强高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，步骤S2中所述的粘结剂为水玻璃。

10.根据权利要要5-9任一项所述的陶瓷相与高熔点相协同增强高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，所述Al、Co、Cr、Ni的摩尔比为1:1:1:1，所述Ti、C分别与X的摩尔比为(1-4):(1-4)，所述Ti、C和X物质量之和占除Fe之外整个涂层组成元素物质量之和的20-50％，粉末纯度大于99.9％，粒径均为100-200目。