CN116970943B - 一种双Laves相元素协同增强的高熵合金涂层及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双Laves相元素协同增强的高熵合金涂层的制备方法,涉及涂层技术领域,包括以下步骤:S1基体预处理;S2粉末预处理:按摩尔比1:1:1:1:1:1称取Al、Co、Cr、Ni、X1、X2粉末,前述的X1、X2粉末为Mo、Nb、V、Zr粉末中的任意两种,将称取好的粉末干燥后混合均匀备用;S3激光熔覆,以及一种双Laves相元素协同增强的高熵合金涂层,采用前述方法制成,与现有技术相比,本发明涂层性能优良,具有较好的硬度、耐磨性及抗高温氧化性,且涂层的质地分布均匀。
Description
技术领域
本发明涉及涂层技术领域,一种双Laves相元素协同增强的高熵合金涂层及制备方法。
背景技术
高熵合金通常由五种或五种以上元素组成,每种元素的含量在5%~35%之间,其所具备的高熵效应、缓慢扩散效应、晶格畸变效应和鸡尾酒效应使其具有良好的组织稳定性、强度、耐磨性和抗高温氧化性等,使其具有广泛的应用前景。但由于高的构型熵,高熵合金中往往形成单一固溶体相,这使得其在性能方面存在局限性,制约了其某些方面的应用。中国专利公开号CN106086580A提供了一种激光熔覆用高熵合金粉末及熔覆层制备方法,由Ti、Zr、V、Nb、Ta和Mo元素粉末组成,该发明制成的熔覆层硬度较低,仍有提升空间;中国专利公开号CN107043873A提供了一种TiAl基激光熔覆高温合金涂层及其制备方法,熔覆粉末及其质量分数为:Al:46%-52%,P:2%,Ti:33%-37%,Nb:5%,Zr:4%-7%,Y:2%-3%,Ce:0.8-2%,该发明制得的熔覆层虽然硬度与抗高温氧化性能虽然均十分优良,但其随距离涂层表面的距离变化而产生较大的硬度变化,说明该发明制得的熔覆层分布十分不均匀;中国专利公开号CN110484908A提供了一种铁基合金表面激光熔覆耐磨耐锌蚀钴基合金涂层的工艺,按以下摩尔质量百分比进行粉体原料配料:C-0.08%,Cr-18%,Si-3.4%,Fe-1.5%,Mo-28.5%,Ni-1.5%,钴包WC-5%,Co-ba,并在激光熔覆过程中,在熔覆层中形成有Co3Mo2Si Laves相,该发明提供的熔覆层同样具有中层硬度高、表层与底层硬度低的质地分布不均的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是:提供一种涂层性能优良、分布均匀的双Laves相元素协同增强的高熵合金涂层,以及一种涂层性能优良的双Laves相元素协同增强的高熵合金涂层的制备方法。
为了解决上述技术问题,一种双Laves相元素协同增强的高熵合金涂层的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:
S1基体预处理:使用砂纸对Fe基基体打磨,超声清洗打磨后的Fe基基体,然后将Fe基基体置于烘干箱中烘干备用;
S2粉末预处理:按摩尔比1:1:1:1:1:1称取Al、Co、Cr、Ni、X1、X2粉末,前述的X1、X2粉末为Mo、Nb、V、Zr粉末中的任意两种,将称取好的粉末干燥后混合均匀备用;
S3激光熔覆:将S1处理后的Fe基基体固定在激光工作台上,使用S2处理后的粉末对前述Fe基基体进行激光熔覆,激光熔覆的参数为:功率800-1500W,扫描速度为10-25mm/s,送粉速度20-35r/min,光斑直径2-3mm,搭接率20-50%。
优选的,所述的X1、X2粉末分别为Nb与Zr粉末。
优选的,S3步骤中激光熔覆的参数为:功率900W,扫描速度为18mm/s,送粉速度30r/min,光斑直径2mm,搭接率30%。
优选的,所述的Fe基基体材质为Q235钢。
优选的,S1步骤中对Fe基体依次使用80#、180#、240#、320#、400#、600#、800#的SiC砂纸进行逐级打磨。
优选的,S1步骤中对Fe基体超声清洗时清洗液为酒精。
优选的,S1所述的烘干箱内温度设置为200℃,Fe基基体置于烘干箱中烘干0.5-2h。
优选的,S2所述的Al、Co、Cr、Ni、Mo、Nb、V、Zr粉末均为纯度>99.9%的球形粉末,Al、Co、Cr、Ni、Mo、Nb、V、Zr粉末的粒径均为45-105μm。
优选的,S2中将称取好的粉末分别置于的80℃的真空干燥设备中进行减压干燥2h,将干燥后的粉末至于V型混粉机混合2h后取出备用。
一种双Laves相元素协同增强的高熵合金涂层,采用前述任一一种双Laves相元素协同增强的高熵合金涂层的制备方法制得。
本发明的有益效果是:本发明采用双Laves相元素协同增强高熵合金涂层,提高涂层的硬度、耐磨和抗高温氧化性能,使其具有较长的使用寿命,有助于减少污染,并且能够实现涂层与基体良好的冶金结合,实现了激光熔覆技术在材料表面改性方面的应用,表面改性后即可投入工业应用,具有很大的市场推广和应用价值。与现有技术相比,本发明涂层性能优良,具有较好的硬度、耐磨性及抗高温氧化性,且涂层的质地分布均匀。
附图说明
图1为本发明双Laves相元素协同增强的高熵合金涂层制备的流程图;
图2为实施例与各对照例制得的高熵合金涂层的XRD衍射图,图中由上至下依次为实施例、对照例3、对照例2、对照例1制得的高熵合金涂层;
图3为实施例与各对照例制得的高熵合金涂层的BCC衍射峰放大图,图中由上至下依次为实施例、对照例3、对照例2、对照例1制得的高熵合金涂层;
图4为实施例与各对照例制得的高熵合金涂层的显微硬度图,图中由上至下依次为实施例、对照例2、对照例3、对照例1制得的高熵合金涂层;
图5为对照例1制得的高熵合金涂层的摩擦系数图;
图6为对照例2制得的高熵合金涂层的摩擦系数图;
图7为对照例3制得的高熵合金涂层的摩擦系数图;
图8为实施例制得的高熵合金涂层的摩擦系数图;
图9为Q235钢基体的摩擦系数图;
图10为实施例与各对照例制得的高熵合金涂层与Q235钢基体的钢磨损痕迹的深度和宽度图,图中由上至下依次为实施例、对照例2、对照例3、对照例1制得的高熵合金涂层与Q235钢基体;
图11为实施例与各对照例制得的高熵合金涂层与Q235钢基体的磨损体积图,图中由左至右依次为对照例1、对照例2、对照例3、实施例制得的高熵合金涂层与Q235钢基体;
图12为实施例与各对照例制得的高熵合金涂层与Q235钢基体的磨损率图,图中由左至右依次为对照例1、对照例2、对照例3、实施例制得的高熵合金涂层与Q235钢基体;
图13为实施例与各对照例制得的高熵合金涂层与Q235钢基体高温氧化50h后的增重曲线,图中由下至上依次为实施例、对照例3、对照例1、对照例2制得的高熵合金涂层与Q235钢基体。
具体实施方式
下述实施例中所涉及的仪器、试剂、材料等,若无特别说明,均为现有技术中已有的常规仪器、试剂、材料等,可通过正规商业途径获得。下述实施例中所涉及的实验方法,检测方法等,若无特别说明,均为现有技术中已有的常规实验方法,检测方法等。
实施例
参见图1,采用如下步骤制备高熵合金涂层:
S1基体预处理:对70mm×50mm×6mm尺寸的Q235钢基体依次使用80#、180#、240#、320#、400#、600#、800#的SiC砂纸进行逐级打磨,使用酒精超声清洗打磨后的Q235钢基体,然后将Q235钢基体置于200℃的烘干箱中烘干2h备用;
S2粉末预处理:按摩尔比1:1:1:1:1:1称取纯度>99.9%的球形Al、Co、Cr、Ni、Nb、Zr粉末,Al、Co、Cr、Ni、Nb、Zr粉末的粒径均为45-105μm,将称取好的粉末分别置于80℃的真空干燥设备中减压干燥2h,将干燥后的粉末至于V型混粉机混合2h后取出备用;
S3激光熔覆:将S1处理后的Q235钢基体固定在激光工作台上,使用S2处理后的粉末对前述Fe基基体进行激光熔覆,激光熔覆的参数为:功率900W,扫描速度为18mm/s,送粉速度30r/min,光斑直径2mm,搭接率30%。
对照例1
与实施例的区别在于,S2步骤中使用的粉末不同,其它均相同,对照例1使用的粉末为Al、Co、Cr、Ni粉末。
对照例2
与实施例的区别在于,S2步骤中使用的粉末不同,其它均相同,对照例2使用的粉末为Al、Co、Cr、Ni、Nb粉末。
对照例3
与实施例的区别在于,S2步骤中使用的粉末不同,其它均相同,对照例3使用的粉末为Al、Co、Cr、Ni、Zr粉末。
参见图2与图3,实施例与各对照例制得的高熵合金涂层的XRD衍射图与BCC衍射峰放大图,可以看出对照例1制得的高熵合金涂层由单一BCC相组成,而Nb、Zr单独加入和Nb、Zr共同加入时均产生了Laves相的衍射峰,实施例制得的高熵合金涂层BCC相的衍射峰向左偏移最多,这说明其晶格畸变程度最强。
参见图4,实施例与各对照例制得的高熵合金涂层的显微硬度图,实施例制得的高熵合金涂层硬度较高,对比单独添加Nb、Zr的对照例2、3均有所提高,说明添加双Laves相元素有助于协同提高高熵合金涂层的性能,且实施例制得的高熵合金涂层硬度随距离涂层表面的距离变化几乎没有变化,说明其涂层质地分布均匀。
参见图5-9,实施例与各对照例制得的高熵合金涂层与Q235钢基体的摩擦系数图,实施例制得的高熵合金涂层的摩擦系数较低,对比单独添加Nb、Zr的对照例2、3均有所下降。参见图10,实施例与各对照例制得的高熵合金涂层与Q235钢基体的钢磨损痕迹的深度和宽度图,图11与图12,实施例与各对照例制得的高熵合金涂层与Q235钢基体的磨损体积图与磨损率图,实施例制得的高熵合金涂层的磨损率最低,其耐磨性约为对照例1-3的1.30-2.46倍,这是由于Nb和Zr的共同加入在提高耐磨性方面产生了协同效应,双laves相元素的协同加入使涂层的晶格畸变程度增加,增强了固溶强化作用,提高了BCC相的强度,且Laves相的析出强化使涂层的硬度明显提高,这使得涂层的抗微切削能力显著提高,并且双Laves相元素的协同加入所导致的晶粒细化有效了阻碍晶界的位错滑移,并且能够有效降低涂层的脆性倾向,从而使涂层的耐磨性显著提高。
参见如13,实施例与各对照例制得的高熵合金涂层与Q235钢基体高温氧化50h后的增重曲线,可以发现Q235钢基体的质量增重随时间线性增长,而实施例与各对照例制得的高熵合金涂层的质量增重随时间增加变化逐渐减少,其中实施例制得的高熵合金涂层的质量增重速度最低,说明其抗高温氧化性最强。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。
Claims (9)
1.一种双Laves相元素协同增强的高熵合金涂层的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:
S1 基体预处理:使用砂纸对Fe基基体打磨,超声清洗打磨后的Fe基基体,然后将Fe基基体置于烘干箱中烘干备用;
S2 粉末预处理:按摩尔比1:1:1:1:1:1称取Al、Co、Cr、Ni、Nb、Zr粉末,将称取好的粉末干燥后混合均匀备用;
S3 激光熔覆:将S1处理后的Fe基基体固定在激光工作台上,使用S2处理后的粉末对前述Fe基基体进行激光熔覆,激光熔覆的参数为:功率800-1500W,扫描速度为10-25mm/s,送粉速度20-35r/min,光斑直径2-3mm,搭接率20-50%。
2.根据权利要求1所述的双Laves相元素协同增强的高熵合金涂层的制备方法,其特征在于:S3步骤中激光熔覆的参数为:功率900W,扫描速度为18mm/s,送粉速度30r/min,光斑直径2mm,搭接率30%。
3.根据权利要求1所述的双Laves相元素协同增强的高熵合金涂层的制备方法,其特征在于:所述的Fe基基体材质为Q235钢。
4.根据权利要求1所述的双Laves相元素协同增强的高熵合金涂层的制备方法,其特征在于:S1步骤中对Fe基体依次使用80#、180#、240#、320#、400#、600#、800#的SiC砂纸进行逐级打磨。
5.根据权利要求1所述的双Laves相元素协同增强的高熵合金涂层的制备方法,其特征在于:S1步骤中对Fe基体超声清洗时清洗液为酒精。
6.权利要求1所述的双Laves相元素协同增强的高熵合金涂层的制备方法,其特征在于:S1所述的烘干箱内温度设置为200℃,Fe基基体置于烘干箱中烘干0.5-2h。
7.权利要求1所述的双Laves相元素协同增强的高熵合金涂层的制备方法,其特征在于:S2所述的Al、Co、Cr、Ni、Nb、Zr粉末均为纯度>99.9%的球形粉末,Al、Co、Cr、Ni、Nb、Zr粉末的粒径均为45-105μm。
8.权利要求1所述的双Laves相元素协同增强的高熵合金涂层的制备方法,其特征在于:S2中将称取好的粉末分别置于80℃的真空干燥设备中进行减压干燥2h,将干燥后的粉末至于V型混粉机混合2h后取出备用。
9.一种双Laves相元素协同增强的高熵合金涂层,其特征在于:采用如权利要求1-8中任何一项双Laves相元素协同增强的高熵合金涂层的制备方法制得。
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- 2023-08-10 CN CN202311004632.0A patent/CN116970943B/zh active Active
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