CN115537807A - 一种抗冲击耐磨耐蚀高熵合金-陶瓷复合涂层及其制备方法与应用 - Google Patents

一种抗冲击耐磨耐蚀高熵合金-陶瓷复合涂层及其制备方法与应用 Download PDF

Info

Publication number
CN115537807A
CN115537807A CN202211326067.5A CN202211326067A CN115537807A CN 115537807 A CN115537807 A CN 115537807A CN 202211326067 A CN202211326067 A CN 202211326067A CN 115537807 A CN115537807 A CN 115537807A
Authority
CN
China
Prior art keywords
coating
resistant
entropy alloy
ceramic particles
impact
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202211326067.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN115537807B (zh
Inventor
卢冰文
闫星辰
王岳亮
董真
高硕洪
邓朝阳
刘敏
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of New Materials of Guangdong Academy of Sciences
Original Assignee
Institute of New Materials of Guangdong Academy of Sciences
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of New Materials of Guangdong Academy of Sciences filed Critical Institute of New Materials of Guangdong Academy of Sciences
Priority to CN202211326067.5A priority Critical patent/CN115537807B/zh
Publication of CN115537807A publication Critical patent/CN115537807A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115537807B publication Critical patent/CN115537807B/zh
Priority to PCT/CN2023/122026 priority patent/WO2024027853A1/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/08—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
    • C23C24/10—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat with intermediate formation of a liquid phase in the layer
    • C23C24/103—Coating with metallic material, i.e. metals or metal alloys, optionally comprising hard particles, e.g. oxides, carbides or nitrides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C29/00—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides
    • C22C29/02—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides
    • C22C29/06—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C29/00—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides
    • C22C29/02—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides
    • C22C29/06—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds
    • C22C29/08—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds based on tungsten carbide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C29/00—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides
    • C22C29/12—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on oxides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C30/00—Alloys containing less than 50% by weight of each constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C32/00—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ
    • C22C32/0005—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with at least one oxide and at least one of carbides, nitrides, borides or silicides as the main non-metallic constituents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C32/00—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ
    • C22C32/001—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with only oxides
    • C22C32/0015—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with only oxides with only single oxides as main non-metallic constituents
    • C22C32/0036—Matrix based on Al, Mg, Be or alloys thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C32/00—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ
    • C22C32/0047—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with carbides, nitrides, borides or silicides as the main non-metallic constituents
    • C22C32/0052—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with carbides, nitrides, borides or silicides as the main non-metallic constituents only carbides
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)

Abstract

本发明公开了一种抗冲击耐磨耐蚀高熵合金‑陶瓷复合涂层及其制备方法与应用，属于涂层技术领域。该复合涂层包括由内至外的第一涂层、第二涂层及第三涂层；各涂层的制备原料均独立地包括FeCoNiCr高熵合金和陶瓷颗粒；以原子百分数计，高熵合金含有22‑28％的Fe、22‑28％的Co、22‑28％的Ni及22‑28％的Cr；陶瓷颗粒包括WC、Cr3C2及Al2O3中的至少一种；陶瓷颗粒的粒径为45‑85μm；三层涂层的制备原料中含有的陶瓷颗粒的量依次为5‑15％、20‑30％及50‑60％；三层涂层的厚度比为1:0.8‑0.9:0.6‑0.7。该复合涂层同时拥有优异的抗冲击性能、耐磨蚀和耐腐蚀性能。

Description

一种抗冲击耐磨耐蚀高熵合金-陶瓷复合涂层及其制备方法 与应用
技术领域
本发明涉及涂层技术领域，具体而言，涉及一种抗冲击耐磨耐蚀高熵合金-陶瓷复合涂层及其制备方法与应用。
背景技术
随着人类社会向着地下、深远海等地方发展，对机械工程装备提出了越来越严苛的要求，如盾构机刀具、深海钻探钻具等，它们不仅工作在腐蚀环境中，且不断运动或转动，承受巨大的冲击和磨损。机械工程装备的基体材料已达到性能极限，表面涂层技术是其苛刻环境下服役可靠性保障的关键技术。热喷涂、电镀、涂装等表面处理所形成的涂层由于没有足够的结合强度，在受到长时间冲击与机械作用后，会很快失效，甚至剥落而失去保护作用。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种抗冲击耐磨耐蚀高熵合金-陶瓷复合涂层以解决上述技术问题。
本发明的目的之二在于提供一种上述抗冲击耐磨耐蚀高熵合金-陶瓷复合涂层的制备方法。
本发明的目的之三在于提供一种上述抗冲击耐磨耐蚀高熵合金-陶瓷复合涂层的应用。
本申请可这样实现：
第一方面，本申请提供一种抗冲击耐磨耐蚀高熵合金-陶瓷复合涂层，其包括用于设置于基体表面的由内至外依次设置的第一涂层、第二涂层及第三涂层；
第一涂层、第二涂层及第三涂层的制备原料均独立地包括FeCoNiCr高熵合金和陶瓷颗粒；
以原子百分数计，FeCoNiCr高熵合金含有22-28％的Fe、22-28％的Co、22-28％的Ni以及22-28％的Cr；
陶瓷颗粒包括WC、Cr3C2及Al2O3中的至少一种；陶瓷颗粒的平均粒径为45-85μm；
以质量百分数计，第一涂层的制备原料中含有5-15％的陶瓷颗粒，第二涂层的制备原料中含有20-30％的陶瓷颗粒，第三涂层的制备原料中含有50-60％的陶瓷颗粒；
第一涂层、第二涂层以及第三涂层的厚度比为1:0.8-0.9:0.6-0.7。
第二方面，本申请提供如前述实施方式的抗冲击耐磨耐蚀高熵合金-陶瓷复合涂层的制备方法，包括以下步骤：于基体表面由内至外依次制备第一涂层、第二涂层及第三涂层。
在可选的实施方式中，采用激光熔覆方式制备第一涂层、第二涂层及第三涂层。
在可选的实施方式中，激光熔覆的工艺条件包括：激光功率1900-2500W，光斑直径1-4mm，送粉速率1.5-2.0kg/h，激光扫描速率8-12mm/s，搭接率45-65％。
在可选的实施方式中，激光熔覆之前，制备各涂层之前，还包括：将制备各涂层所需的FeCoNiCr高熵合金和陶瓷颗粒分别按所需配比混合，球磨，得到不同配比的复合粉末；随后，将各复合粉末按各涂层的制备顺序进行激光熔覆。
在可选的实施方式中，球磨时间为30-60min，球磨转速为300rpm。
在可选的实施方式中，还包括：制备第一涂层之前，还包括对基体进行预热处理；
预热处理包括：将基体于250-350℃的条件下预热30-40min。
在可选的实施方式中，预热处理前，还包括对基体进行表面前处理。
在可选的实施方式中，激光熔覆后，还包括将涂层进行退火热处理。
在可选的实施方式中，退火热处理是于450-600℃的条件下进行4-6h。
第三方面，本申请提供如前述实施方式的抗冲击耐磨耐蚀高熵合金-陶瓷复合涂层在轨道交通、海工装备或钢铁冶金中的应用。
在可选的实施方式中，抗冲击耐磨耐蚀高熵合金-陶瓷复合涂层用于制备于盾构机刀具或深海钻探钻具的表面。
本申请的有益效果包括：
本申请通过将高韧抗冲击FeCoNiCr高熵合金和承载耐磨陶瓷颗粒按特定配比有效结合并形成独特厚度的“表硬内韧”三层结构，加之两者具有良好的润湿效果和匹配性，可制备得到同时具有较佳抗冲击、耐磨损以及耐腐蚀的高熵合金-陶瓷多层复合涂层。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本申请提供的抗冲击耐磨耐蚀高熵合金-陶瓷复合涂层的结构示意图；
图2为本申请提供的抗冲击耐磨耐蚀高熵合金-陶瓷复合涂层的截面组织结构图。
图标：1-基体；2-第一涂层；3-第二涂层；4-第三涂层；5-FeCoNiCr高熵合金；6-陶瓷颗粒。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本申请提供的抗冲击耐磨耐蚀高熵合金-陶瓷复合涂层及其制备方法与应用进行具体说明。
发明人提出：目前，具有韧性好且抗冲击性能优异的单一金属涂层材料通常耐磨性不足；具有硬度高且耐磨性好的单一陶瓷涂层材料通常抗冲击性能不足。也即，单一结构的涂层很难同时兼容多种优异的性能。需强调的是，涂层材料和结构是决定涂层性能和质量的关键因素。多层涂层之间不同的复合方式以及制备条件所对应得到的复合涂层在性能上会存在明显差异，并不是随便地将多层单一结构的涂层复合即可同时满足多功能(如抗冲击、耐磨损和耐腐蚀)的优异需求。
鉴于此，本申请提出一种抗冲击耐磨耐蚀高熵合金-陶瓷复合涂层，请一并参照图1和图2，其包括用于设置于基体1表面的由内至外依次设置的第一涂层2、第二涂层3及第三涂层4。
本申请中，第一涂层2主要作为高韧耐腐蚀层，以使复合涂层具有较高的韧性和耐腐蚀性，韧性最好，承受冲击载荷能被该层吸收掉；且该第一涂层2与基体1具有良好的结合性能。第二涂层3主要作为缓冲过渡层。第三涂层4主要作为高硬耐磨层，以使复合涂层具有较高的硬度和耐磨性。
上述第一涂层2、第二涂层3及第三涂层4的制备原料均独立地包括FeCoNiCr高熵合金5和陶瓷颗粒6。
也即，第一涂层2的制备原料包括FeCoNiCr高熵合金5和陶瓷颗粒6，第二涂层3的制备原料也包括FeCoNiCr高熵合金5和陶瓷颗粒6，第三涂层4的制备原料也包括FeCoNiCr高熵合金5和陶瓷颗粒6。
其中，以原子百分数计，FeCoNiCr高熵合金5含有22-28％的Fe、22-28％的Co、22-28％的Ni以及22-28％的Cr。
具体的，Fe在FeCoNiCr高熵合金5中的含量为22％、22.5％、23％、23.5％、24％、24.5％、25％、25.5％、26％、26.5％、27％、27.5％或28％等，也可以为22-28％范围内的其它任意值。
同理地，Co在FeCoNiCr高熵合金5中的含量为22％、22.5％、23％、23.5％、24％、24.5％、25％、25.5％、26％、26.5％、27％、27.5％或28％等，也可以为22-28％范围内的其它任意值。
Ni在FeCoNiCr高熵合金5中的含量为22％、22.5％、23％、23.5％、24％、24.5％、25％、25.5％、26％、26.5％、27％、27.5％或28％等，也可以为22-28％范围内的其它任意值。
Cr在FeCoNiCr高熵合金5中的含量为22％、22.5％、23％、23.5％、24％、24.5％、25％、25.5％、26％、26.5％、27％、27.5％或28％等，也可以为22-28％范围内的其它任意值。
以上述各元素的原子含量设置，可充分发挥Fe和Ni的提高韧性的作用，以及Co和Cr的提高耐蚀性的作用。
相应的FeCoNiCr高熵合金5可形成单一FCC固溶体相，拥有优异的塑韧性、抗冲击性能、高耐腐蚀性等传统合金所不能同时具备的优异性能。
陶瓷颗粒6包括WC、Cr3C2及Al2O3中的至少一种，此外，也可根据需要再结合其它陶瓷材料。
上述陶瓷颗粒6具有较高的硬度和优异的耐磨性，可作为提高金属涂层耐磨性的有效添加相。
上述陶瓷颗粒6的平均粒径为45-85μm，如45μm、50μm、55μm、60μm、65μm、70μm、75μm、80μm或85μm等，也可以为45-85μm范围内的其它任意值。
通过将陶瓷颗粒6设置在上述平均粒径范围，一方面能够确保陶瓷颗粒6在涂层中均匀分散，另一方面能够使其充分发挥强化相的作用。
以质量百分数计，第一涂层2的制备原料中含有5-15％的陶瓷颗粒6，如5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％或15％等，也可以为5-15％范围内的其它任意值。
第二涂层3的制备原料中含有20-30％的陶瓷颗粒6，如21％、22％、23％、24％、25％、26％、27％、28％、29％或30％等，也可以为20-30％范围内的其它任意值。
第三涂层4的制备原料中含有50-60％的陶瓷颗粒6，如51％、52％、53％、54％、55％、56％、57％、58％、59％或60％等，也可以为50-60％范围内的其它任意值。
本申请中，第一涂层2至第三涂层4中的陶瓷颗粒6含量逐渐增多，可使得各涂层的硬度和耐磨性由内之外逐渐提高，由外至内起到有效的缓冲作用。
第一涂层2、第二涂层3以及第三涂层4的厚度比为1:0.8-0.9:0.6-0.7。
例如，第一涂层2与第二涂层3的厚度比可以为1:0.8、1:0.81、1:0.82、1:0.83、1:0.84、1:0.85、1:0.86、1:0.87、1:0.88、1:0.89或1:0.9等，也可以为1:0.8-0.9范围内的其它任意值。
第一涂层2与第三涂层4的厚度比可以为1:0.6、1:0.61、1:0.62、1:0.63、1:0.64、1:0.65、1:0.66、1:0.67、1:0.68、1:0.69或1:0.7等，也可以为1:0.6-0.7范围内的其它任意值。
通过上述由内至外厚度依次减小的三层结构设计，可在实现复合涂层抗冲击、耐磨损、耐腐蚀多种性能的一体化的同时，充分保障涂层的界面结合和涂层应力、材料特性的缓慢过渡。
需说明的是，若第三涂层4的厚度大于第二涂层3，会导致位于最外的第三涂层4较硬，位于其内部的第二涂层3厚度较软，当复合涂层受到外界冲击时，第三涂层4容易向内挤压并破坏第二涂层3。同理地，若第二涂层3的厚度若大于第一涂层2的厚度，当复合涂层受到外界冲击时，第二涂层3容易向内挤压并破坏第一涂层2。
故，本申请通过上述特殊的三层设计，使得第一涂层2至第三涂层4由内至外逐渐变薄，才能逐步往内起到缓冲应力的作用，进而有效承受住外界的冲击。
承上，本申请通过将高韧抗冲击FeCoNiCr高熵合金5和承载耐磨陶瓷颗粒6按特定配比有效结合并形成独特的“表硬内韧”三层结构，加之两者具有良好的润湿效果和匹配性，可制备得到同时具有较佳抗冲击、耐磨损以及耐腐蚀的高熵合金-陶瓷多层复合涂层。
相应地，本申请还提供了上述复合涂层的制备方法，可包括以下步骤：于基体1表面由内至外依次制备第一涂层2、第二涂层3及第三涂层4。
本申请中，优选采用激光熔覆方式制备第一涂层2、第二涂层3及第三涂层4，制备前，可根据零部件表面几何形状进行激光熔覆路径规划。通过采用上述方法，能够制备冶金结合的大厚度涂层并使涂层具有良好的性能。
作为参考地，激光熔覆的工艺条件包括：激光功率1900-2500W，光斑直径1-4mm，送粉速率1.5-2.0kg/h，激光扫描速率8-12mm/s，搭接率45-65％。
其中，激光功率可以为1900W、1950W、2000W、2050W、2100W、2150W、2200W、2250W、2300W、2350W、2400W、2450W或2500W等，也可以为1900-2500W范围内的其它任意值。
光斑直径可以为1mm、1.2mm、1.5mm、1.8mm、2mm、2.2mm、2.5mm、2.8mm、3mm、3.2mm、3.5mm、3.8mm或4mm等，也可以为1-4mm范围内的其它任意值。
送粉速率可以为1.5kg/h、1.55kg/h、1.6kg/h、1.65kg/h、1.7kg/h、1.75kg/h、1.8kg/h、1.85kg/h、1.9kg/h、1.95kg/h或2kg/h等，也可以为1.5-2.0kg/h范围内的其它任意值。
激光扫描速率可以为8mm/s、8.2mm/s、8.5mm/s、8.8mm/s、9mm/s、9.2mm/s、9.5mm/s、9.8mm/s、10mm/s、10.5mm/s、11mm/s、11.5mm/s或12mm/s等，也可以为8-12mm/s范围内的其它任意值。
搭接率可以为45％、48％、50％、52％、55％、58％、60％、62％或65％等，也可以为45-65％范围内的其它任意值。
在一些具体的实施方式中，第一涂层2对应采用的激光熔覆的工艺条件为：激光功率为1800-1900W，光斑直径为1-4mm，送粉速率为1.5-2.0kg/h，激光扫描速率为10-12mm/s，搭接率为45-65％。第二涂层3对应采用的激光熔覆的工艺条件为：激光功率为2100-2200W，光斑直径为1-4mm，送粉速率为1.5-2.0kg/h，激光扫描速率为10-11mm/s，搭接率为45-65％。第三涂层4对应采用的激光熔覆的工艺条件为：激光功率为2400-2500W，光斑直径为1-4mm，送粉速率为1.5-2.0kg/h，激光扫描速率为9-10mm/s，搭接率为45-65％。
也即，第一涂层2、第二涂层3以及第三涂层4的激光熔覆工艺条件中，仅为激光功率和激光扫描速度有差异，其余工艺参数相同(优选地，光斑直径为3mm，送粉速率为1.5kg/h，搭接率为50％)。
需说明的是，上述激光熔覆工艺条件中，从第一涂层2到第三涂层4的激光功率逐渐增大或扫描速度减慢，该设置的原因主要基于陶瓷颗粒含量增加，需要更高的能量让涂层成形。一旦激光功率过低或扫描速度过快，会导致输入能量不足，粉末无法完全熔化，进而成形质量较差；一旦激光功率过大或扫描速度过慢，会导致输入能量过高，形成大量缺陷，导致成形质量也较差。
在一些实施方式中，制备各涂层之前，还包括：将制备各涂层所需的FeCoNiCr高熵合金5和陶瓷颗粒6分别按所需配比混合，球磨，得到不同配比的复合粉末；随后，再将各复合粉末按各涂层的制备顺序进行激光熔覆。
上述球磨时间可以为30-60min，如30min、35min、40min、45min、50min、55min或60min等。对应的球磨转速可以为300rpm。
较佳地，在制备第一涂层2之前，还包括对基体1进行表面前处理和预热处理。
其中，表面前处理例如可包括对基体1表面进行机加和除油去污处理等。
预热处理包括：将基体1于250-350℃的条件下预热30-40min。预热处理可采用感应加热装置进行。
通过上述处理，有利于提高基体1与第一涂层2之前的结合强度。
本申请中，在激光熔覆后，还可将复合涂层进行退火热处理。
作为参考地，退火热处理可以于450-600℃(如450℃、480℃、500℃、520℃、550℃、580℃或600℃等)的条件下进行4-6h(如4h、4.5h、5h、5.5h或6h等)。
基于本申请中各涂层陶瓷颗粒6含量较高的情况，通过在激光熔覆后进行退火热处理，可降低各涂层中所存在的应力，提高涂层的抗冲击性能。
进一步地，退火热处理后，还可对相应的零件进行机加工，以获得所需的尺寸。
承上，本申请提供的上述制备方法可实现复合涂层的一体化快速制造，具有定制化、生产效率高、材料利用率高、生产成本低、成形质量好、界面结合优异、稳定性高等优点，具有良好的工程应用价值。
此外，本申请还提供了上述复合涂层在轨道交通、海工装备或钢铁冶金等中的应用。
在一些具体的实施方式中，上述复合涂层可用于制备于盾构机刀具或深海钻探钻具的表面，可提高上述器具的抗冲击、耐腐蚀和耐磨损性能。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供一种抗冲击耐磨损耐腐蚀的高熵合金-陶瓷多层复合涂层，该复合涂层为由内到外的三层结构，包括：位于内部与基体1接触的高韧耐腐蚀层(第一涂层2)、设置于高韧耐腐蚀层表面的缓冲过渡层(第二涂层3)，以及设置于最外部的高硬耐磨层(第三涂层4)。
第一涂层2、第二涂层3以及第三涂层4的厚度比为1:0.9:0.7。
上述三层涂层均由高韧性FeCoNiCr高熵合金5和高硬度的陶瓷颗粒6组成。第一涂层2、第二涂层3以及第三涂层4中，陶瓷颗粒6的质量分数分别为10％、20％和50％。FeCoNiCr高熵合金5的成分为Fe、Co、Ni和Cr，以原子百分数计，上述四种原子的占比均为25％。陶瓷颗粒6平均粒径为65μm的WC。
上述抗冲击耐磨损耐腐蚀的高熵合金-陶瓷多层复合涂层的制备方法包括以下步骤：
步骤(1)：将各涂层对应的高熵合金粉末和陶瓷粉末分别按比例称量后放入行星球磨机中，球磨(300rpm，40min)，得到不同配比的复合粉末；
步骤(2)：对零部件基体1表面进行机加、除油去污等表面前处理；
步骤(3)：根据零部件表面几何形状进行激光熔覆路径规划；
步骤(4)：采用感应加热装置对零部件进行预热处理(300℃，35min)；
步骤(5)：采用激光熔覆系统在零部件表面制备涂层，设定工艺参数如下：
第一涂层2：激光功率为1900W，光斑直径为3mm，送粉速率为1.5kg/h，激光扫描速率为11mm/s，搭接率为50％；
第二涂层3：激光功率为2100W，光斑直径为3mm，送粉速率为1.5kg/h，扫描速率为10mm/s，搭接率为50％；
第三涂层4：激光功率为2400W，光斑直径3mm，送粉速率1.5kg/h，激光扫描速率为9mm/s，搭接率50％；
步骤(6)：熔覆后进行退火热处理(500℃，5h)和机加工，获得所需尺寸。
实施例2
本实施例与实施例1的唯一区别为：复合涂层中由内到外的三层结构中，陶瓷颗粒6的质量分数分别为10％、30％以及60％。
实施例3
本实施例与实施例1的唯一区别为：复合涂层中的陶瓷颗粒6为Cr3C2。
实施例4
本实施例与实施例1的唯一区别为：复合涂层中由内到外的三层结构中，陶瓷颗粒6的质量分数分别为10％、25％以及55％。
实施例5
本实施例与实施例1的唯一区别为：复合涂层中由内到外的三层结构中，陶瓷颗粒6的质量分数分别为5％、20％以及50％。
实施例6
本实施例与实施例1的唯一区别为：复合涂层中由内到外的三层结构中，陶瓷颗粒6的质量分数分别为15％、20％以及50％。
实施例7
本实施例与实施例1的唯一区别为：FeCoNiCr高熵合金5中，Fe、Co、Ni和Cr的占比分别为22％、28％、28％、22％。
实施例8
本实施例与实施例1的唯一区别为：FeCoNiCr高熵合金5中，Fe、Co、Ni和Cr的占比分别为28％、22％、28％、22％。
实施例9
本实施例与实施例1的唯一区别为：复合涂层中的陶瓷颗粒6为Al2O3。
实施例10
本实施例与实施例1的唯一区别为：陶瓷颗粒6平均粒径为45μm。
实施例11
本实施例与实施例1的唯一区别为：陶瓷颗粒6平均粒径为85μm。
实施例12
本实施例与实施例1的唯一区别为：第一涂层2、第二涂层3以及第三涂层4的厚度比为1:0.8:0.6。
实施例13
本实施例与实施例1的唯一区别为：第一涂层2、第二涂层3以及第三涂层4的厚度比为1:0.85:0.65。
实施例14
本实施例与实施例1的唯一区别为：退火热处理于450℃的条件下进行6h。
实施例15
本实施例与实施例1的唯一区别为：退火热处理于600℃的条件下进行4h。
实施例16
本实施例与实施例1的唯一区别为：激光熔覆工艺参数第一层激光功率为1900W，第二层激光功率为2200W，第三层激光功率为2500W。
实施例17
本实施例与实施例1的唯一区别为：激光熔覆工艺参数第一层激光功率为1950W，第二层激光功率为2150W，第三层激光功率为2450W。
对比例1
本对比例与实施例1的唯一区别为：复合涂层为单一材料和单一结构的FeCoNiCr高熵合金5涂层，无陶瓷颗粒6添加相。
对比例2
本对比例与实施例1的唯一区别为：复合涂层为单一材料和单一结构的WC陶瓷颗粒6涂层，无高熵合金相。
对比例3
本对比例与实施例1的唯一区别为：复合涂层为单一结构的质量分数90％的FeCoNiCr高熵合金5-质量分数10％的WC陶瓷颗粒6复合涂层。
对比例4
本对比例与实施例1的唯一区别为：复合涂层为单一结构的质量分数50％的FeCoNiCr高熵合金5-质量分数50％的WC陶瓷颗粒6复合涂层。
对比例5
本对比例与实施例1的唯一区别为：复合涂层为双层结构，内层为质量分数90％的FeCoNiCr高熵合金5-质量分数10％的WC陶瓷颗粒6，外层为质量分数50％的FeCoNiCr高熵合金5-质量分数50％的WC陶瓷颗粒6。
对比例6
本对比例与实施例1的唯一区别为：复合涂层为双层结构，内层为质量分数80％的FeCoNiCr高熵合金5-质量分数20％的WC陶瓷颗粒6，外层为质量分数50％的FeCoNiCr高熵合金5-质量分数50％的WC陶瓷颗粒6。
对比例7
本对比例与实施例1的唯一区别为：复合涂层为双层结构，内层为质量分数90％的FeCoNiCr高熵合金5-质量分数10％的WC陶瓷颗粒6，外层为质量分数80％的FeCoNiCr高熵合金5-质量分数20％的WC陶瓷颗粒6。
对比例8
本对比例与实施例1的唯一区别为：激光熔覆工艺参数如下：三层涂层的激光功率均为1500W。
对比例9
本对比例与实施例1的唯一区别为：激光熔覆工艺参数如下：三层涂岑固定激光功率均为3000W。
对比例10
本对比例与实施例1的唯一区别为：复合涂层中由内到外的三层结构中，陶瓷颗粒6的质量分数分别为5％、30％以及65％。
对比例11
本对比例与实施例1的唯一区别为：复合涂层中由内到外的三层结构中，陶瓷颗粒6的质量分数分别为20％、30％以及50％。
对比例12
本对比例与实施例1的唯一区别为：第一涂层2、第二涂层3以及第三涂层4的厚度比为1:0.7:0.7。
对比例13
本对比例与实施例1的唯一区别为：第一涂层2、第二涂层3以及第三涂层4的厚度比为1:1:1。
对比例14
本对比例与实施例1的唯一区别为：陶瓷颗粒6的平均粒径为30μm。
对比例15
本对比例与实施例1的唯一区别为：陶瓷颗粒6的平均粒径为100μm。
对比例16
本对比例与实施例1的唯一区别为：激光熔覆后，未进行退火热处理。
试验例
将实施例1-17以及对比例1-16制备得到的高熵合金-陶瓷多层复合涂层试样进行摩擦磨损实验、电化学腐蚀实验和抗冲击实验测试，检测其耐磨性、耐腐蚀性和抗冲击性能。
其中，摩擦磨损实验参照《ASTM G99-05》进行，电化学腐蚀实验参照《GB/T 40299-2021》进行，抗冲击实验测试参照《GB/T 2423.5》进行。
其结果如表1所示：
表1测试结果
Figure BDA0003912086800000141
Figure BDA0003912086800000151
由表1可以看出，本申请实施例提供的抗冲击耐磨损耐腐蚀的高熵合金-陶瓷多层复合涂层较对比例提供的高熵合金-陶瓷多层复合涂层在耐磨蚀、耐腐蚀和抗冲击性能方面均具有更好的性能。
综上所述，本申请提供的复合涂层同时拥有优异的抗冲击性能、耐磨蚀和耐腐蚀性能。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种抗冲击耐磨耐蚀高熵合金-陶瓷复合涂层，其特征在于，包括用于设置于基体表面的由内至外依次设置的第一涂层、第二涂层及第三涂层；
所述第一涂层、所述第二涂层及所述第三涂层的制备原料均独立地包括FeCoNiCr高熵合金和陶瓷颗粒；
以原子百分数计，所述FeCoNiCr高熵合金含有22-28％的Fe、22-28％的Co、22-28％的Ni以及22-28％的Cr；
所述陶瓷颗粒包括WC、Cr3C2及Al2O3中的至少一种；所述陶瓷颗粒的平均粒径为45-85μm；
以质量百分数计，所述第一涂层的制备原料中含有5-15％的所述陶瓷颗粒，所述第二涂层的制备原料中含有20-30％的所述陶瓷颗粒，所述第三涂层的制备原料中含有50-60％的所述陶瓷颗粒；
所述第一涂层、所述第二涂层以及所述第三涂层的厚度比为1:0.8-0.9:0.6-0.7。
2.如权利要求1所述的抗冲击耐磨耐蚀高熵合金-陶瓷复合涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：于基体表面由内至外依次制备所述第一涂层、所述第二涂层及所述第三涂层。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，采用激光熔覆方式制备所述第一涂层、所述第二涂层及所述第三涂层。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，激光熔覆的工艺条件包括：激光功率1900-2500W，光斑直径1-4mm，送粉速率1.5-2.0kg/h，激光扫描速率8-12mm/s，搭接率45-65％。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，制备各涂层之前，还包括：将制备各涂层所需的FeCoNiCr高熵合金和陶瓷颗粒分别按所需配比混合，球磨，得到不同配比的复合粉末；随后，将各复合粉末按各涂层的制备顺序进行激光熔覆；
优选地，球磨时间为30-60min，球磨转速为300rpm。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，还包括：制备所述第一涂层之前，还包括对所述基体进行预热处理；
预热处理包括：将所述基体于250-350℃的条件下预热30-40min。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，预热处理前，还包括对所述基体进行表面前处理。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，激光熔覆后，还包括将所得的涂层进行退火热处理；
优选地，退火热处理是于450-600℃的条件下进行4-6h。
9.如权利要求1所述的抗冲击耐磨耐蚀高熵合金-陶瓷复合涂层在轨道交通、海工装备或钢铁冶金中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述抗冲击耐磨耐蚀高熵合金-陶瓷复合涂层用于制备于盾构机刀具或深海钻探钻具的表面。
CN202211326067.5A 2022-10-27 2022-10-27 一种抗冲击耐磨耐蚀高熵合金-陶瓷复合涂层及其制备方法与应用 Active CN115537807B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211326067.5A CN115537807B (zh) 2022-10-27 2022-10-27 一种抗冲击耐磨耐蚀高熵合金-陶瓷复合涂层及其制备方法与应用
PCT/CN2023/122026 WO2024027853A1 (zh) 2022-10-27 2023-09-27 一种抗冲击耐磨耐蚀高熵合金-陶瓷复合涂层及其制备方法与应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211326067.5A CN115537807B (zh) 2022-10-27 2022-10-27 一种抗冲击耐磨耐蚀高熵合金-陶瓷复合涂层及其制备方法与应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115537807A true CN115537807A (zh) 2022-12-30
CN115537807B CN115537807B (zh) 2023-06-27

Family

ID=84719090

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211326067.5A Active CN115537807B (zh) 2022-10-27 2022-10-27 一种抗冲击耐磨耐蚀高熵合金-陶瓷复合涂层及其制备方法与应用

Country Status (2)

Country Link
CN (1) CN115537807B (zh)
WO (1) WO2024027853A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024027853A1 (zh) * 2022-10-27 2024-02-08 广东省科学院新材料研究所 一种抗冲击耐磨耐蚀高熵合金-陶瓷复合涂层及其制备方法与应用

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108950343A (zh) * 2018-08-01 2018-12-07 四川理工学院 一种基于高熵合金的wc基硬质合金材料及其制备方法
CN111485209A (zh) * 2020-04-09 2020-08-04 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 高熵合金/wc硬质层纳米多层薄膜、其制备方法及应用
US20200399744A1 (en) * 2019-06-21 2020-12-24 United States Of America As Represented By The Administrator Of Nasa Additively manufactured oxide dispersion strengthened medium entropy alloys for high temperature applications
CN112195463A (zh) * 2020-07-31 2021-01-08 中北大学 一种激光熔覆AlCoCrFeNi/NbC梯度高熵合金涂层材料及方法
US20210205883A1 (en) * 2020-01-03 2021-07-08 The Boeing Company Tuned multilayered material systems and methods for manufacturing
CN113564576A (zh) * 2020-07-31 2021-10-29 中北大学 一种陶瓷相梯度的单相高熵合金涂层材料及其制备方法
CN114147215A (zh) * 2021-12-03 2022-03-08 广东省科学院新材料研究所 一种用于超高速激光熔覆的碳化钨增强高熵合金复合粉末及其涂层和制备方法与应用
CN114606407A (zh) * 2022-02-28 2022-06-10 武汉理工大学 一种高熵陶瓷-高熵合金梯度材料及其制备方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022084989A1 (en) * 2020-10-19 2022-04-28 Ramot At Tel-Aviv University Ltd. Method for forming functional coatings
CN114990542B (zh) * 2022-05-07 2023-11-07 中机新材料研究院(郑州)有限公司 高熵合金基梯度复合陶瓷耐磨涂层及其高速激光熔覆原位制备方法
CN115537807B (zh) * 2022-10-27 2023-06-27 广东省科学院新材料研究所 一种抗冲击耐磨耐蚀高熵合金-陶瓷复合涂层及其制备方法与应用

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108950343A (zh) * 2018-08-01 2018-12-07 四川理工学院 一种基于高熵合金的wc基硬质合金材料及其制备方法
US20200399744A1 (en) * 2019-06-21 2020-12-24 United States Of America As Represented By The Administrator Of Nasa Additively manufactured oxide dispersion strengthened medium entropy alloys for high temperature applications
US20210205883A1 (en) * 2020-01-03 2021-07-08 The Boeing Company Tuned multilayered material systems and methods for manufacturing
CN111485209A (zh) * 2020-04-09 2020-08-04 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 高熵合金/wc硬质层纳米多层薄膜、其制备方法及应用
CN112195463A (zh) * 2020-07-31 2021-01-08 中北大学 一种激光熔覆AlCoCrFeNi/NbC梯度高熵合金涂层材料及方法
CN113564576A (zh) * 2020-07-31 2021-10-29 中北大学 一种陶瓷相梯度的单相高熵合金涂层材料及其制备方法
CN114147215A (zh) * 2021-12-03 2022-03-08 广东省科学院新材料研究所 一种用于超高速激光熔覆的碳化钨增强高熵合金复合粉末及其涂层和制备方法与应用
CN114606407A (zh) * 2022-02-28 2022-06-10 武汉理工大学 一种高熵陶瓷-高熵合金梯度材料及其制备方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024027853A1 (zh) * 2022-10-27 2024-02-08 广东省科学院新材料研究所 一种抗冲击耐磨耐蚀高熵合金-陶瓷复合涂层及其制备方法与应用

Also Published As

Publication number Publication date
WO2024027853A1 (zh) 2024-02-08
CN115537807B (zh) 2023-06-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN114147215B (zh) 一种用于超高速激光熔覆的碳化钨增强高熵合金复合粉末及其涂层和制备方法与应用
CN102441672B (zh) 一种激光熔覆纳米陶瓷颗粒增强的金属基梯度涂层制备方法
CN114045484B (zh) 一种多尺度陶瓷颗粒耦合增强激光熔覆铁基耐磨涂层及其制备方法
CN105624670B (zh) 铝合金构件表面耐磨减摩复合涂层及其制备方法
CN102605230B (zh) 双相纳米颗粒增强型钛合金防护涂层及制备方法
CN111139466B (zh) 一种钛合金石油钻杆耐磨带及其制备方法
CN115537807B (zh) 一种抗冲击耐磨耐蚀高熵合金-陶瓷复合涂层及其制备方法与应用
CN112626378B (zh) 铁铝合金复合强化铝基材料、其制备方法及应用
CN111979451B (zh) 一种复合涂层材料、不锈钢表面复合涂层及其制备方法
CN111763902B (zh) 一种粉芯丝材及其制备方法、防腐耐磨复合涂层及其制备方法
CN109913868B (zh) 一种孔阵列钢表面复合涂层及其制备方法
Zhan et al. Effect of surface metallization of graphite on the tribological properties of copper hybrid composites
CN114985728B (zh) 一种陶瓷/铁基复合涂料、碳钢基复合材料及其制备方法
CN104264150B (zh) 一种耐磨性和疲劳性能较好的TiN涂层模具
Pham et al. Wear Properties of TiC‐Reinforced Co50 Composite Coatings from Room Temperature to High Temperature
CN109267008A (zh) 一种Y-AlYN-AlYNC多元涂层刀具及其制备方法
CN112795919B (zh) 一种提高tc4合金摩擦学性能的复合涂层材料及其制备方法
CN104264096A (zh) 一种Ni60B-Al2O3纳米涂层及其制备方法
CN107338412A (zh) CrNbC/CrNbCN叠层复合涂层刀具及其制备工艺
JP2011147946A (ja) 温熱間鍛造用金型及びその製造方法
CN116837370A (zh) 一种梯度钨基复合涂层的制备方法及经该方法制得的刀具
CN105154957A (zh) 一种型材挤压模具表面强化复合材料制备方法
CN113549916B (zh) 一种基于3d打印技术的分区结构性能抛丸叶片成型方法
CN115464152B (zh) 一种基于复合材料增材制造低缺陷金属陶瓷零部件的方法
CN115611636B (zh) 一种表面改性立方氮化硼粉体及其制备方法和应用

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant