CN106041031A - 一种铸件表面高熵合金涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种铸件表面高熵合金涂层的制备方法，包括如下步骤：S1、预制体的制备：将粘接剂加入高熵合金涂层原料粉末中，混合形成糊状，然后压制成圆柱状预制体，再将预制体烘干；S2、造型：使用砂子制作砂型型腔，待砂型固化后，在型腔壁零件特定部位开凿凹槽，把S1中的预制体放置在凹槽中；S3、浇注：在常温常压下将熔融态的金属液浇入到型腔内，预制体在金属液的热量作用下发生溶解扩散，凝固后在铸件表面形成高熵合金涂层。在步骤S3之后，对高熵合金涂层再进行后续热处理。本发明制备出的高熵合金涂层致密度良好，和基体的冶金结合度较好，所需设备简单、操作方便、生产成本低。
Description
技术领域
本发明属于环境保护技术领域，具体涉及一种铸件表面高熵合金涂层的制备方法。
背景技术
磨损是造成机械零件失效的主要原因之一，对机械零件的使用寿命和可靠性产生极大影响，会造成大量的经济损失同时也阻碍了工业的发展。随着经济的高速发展，国民经济各部门对机械设备性能要求的不断提高，研发出性能更好的耐磨材料并降低生产成本，简化工序仍为材料工作者们所需解决的重要问题。
高熵合金由5至13种合金元素组成且每种元素含量的原子百分比为5％～35％。多种元素的存在使其原子排列倾向于混乱，借助其特有的高熵效应、缓慢扩散效应等，可使高熵合金形成简单的组织结构并获得高硬度、高强度、耐腐蚀、耐高温氧化等综合性能。由于高熵合金含有较多的贵重金属，成本较高，因此将具有较高硬度和耐磨性的高熵合金与材料表面改性技术相结合，可以有效降低成本并扩大高熵合金的应用。
目前，高熵合金涂层的制备方法主要有激光熔覆、磁控溅射、等离子熔覆等。激光熔覆技术即把高熵合金粉末平铺在基材表面，利用激光的高温进行融化，待快速冷却后，即可形成一层高熵合金涂层。中国专利文献CN201310300255.5的专利申请公开了用于制备高熵合金涂层的合金粉末及其制备方法和应用，但其没有注意到激光熔覆过程中可能会产生元素烧毁的情况，最后很难形成真正意义上的高熵合金涂层且激光熔覆需要大型激光器，这就加大了生产成本。磁控溅射技术虽然可以较好的控制合金涂层成分，但是对基体与靶材的要求较高，难以实现规模化生产。等离子熔覆同样把高熵合金粉末涂覆在基材表面，利用等离子束使其融化，经过快速冷却得到高熵合金涂层，但是该工艺过程比较复杂，且可能由于输入热量过大，导致得到的高熵合金涂层容易产生裂纹、硬度较低且组织分布不均匀等缺陷，同时等离子设备昂贵，大大增加了生产成本。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明提供了一种所需设备简单、操作方便、生产成本低、涂层和基材结合牢固的在铸件表面制备高熵合金涂层的方法。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种铸件表面高熵合金涂层的制备方法，包括如下步骤：
S1、预制体的制备：将粘接剂加入高熵合金涂层原料粉末中，混合形成糊状，然后压制成圆柱状预制体，再将预制体烘干；
S2、造型：制作砂型型腔，待砂型固化后，在型腔壁零件特定部位开凿凹槽，把S1中的预制体放置在凹槽中；
S3、浇注：在常温常压下将熔融态的金属液浇入到型腔内，预制体在金属液的热量作用下发生溶解扩散，凝固后在铸件表面形成高熵合金涂层。
优选的，步骤S1中粘接剂选用聚乙烯醇水溶液或酒精。
进一步的，，步骤S1中粘接剂选用聚乙烯醇水溶液时，其溶质含量为4～8wt％。
进一步的，步骤S1中，高熵合金涂层原料粉末的粒径为50～200目；采用油压式压片机在20～40MPa压力下将糊状物压制成厚3～5mm、直径为10～30mm的圆柱状预制体，且压制成的圆柱状预制体放置在温度为60～120℃真空干燥箱烘干1～4h。
进一步的，步骤S2中，将呋喃树脂砂、树脂油和固化剂依次混合后制作“T”型砂型型腔；其中，树脂油占砂重的2％、固化剂占砂重的1％。
进一步的，所述凹槽在“T”型砂型型腔的两侧开为对称的多个；所述凹槽设为或圆柱体，相应的，凹槽的宽度或直径大小与预制体的直径大小相当，厚度大于预制体的厚度。
进一步的，所述凹槽在“T”型砂型型腔的两侧开为对称的2个，所述凹槽的厚度为6～8mm。
优选的，在步骤S3之后，铸件表面形成的高熵合金涂层再进行后续热处理：S3得到的高熵合金涂层首先在650℃预热2h，然后升温至1000℃保温2h，空冷至室温后260℃回火保温2h。
本发明还提供了一种用于上述铸件表面高熵合金涂层制备方法中的高熵合金粉末，按原子百分比计，包括Al,Cr,Fe,Co,Ni,Ti,Cu或者Mn元素中任意多种的组合，且各原子百分比含量均在5～25％；各组分的纯度均为99％以上。
上述高熵合金粉末的制备方法为：所述的高熵合金粉末原料经过球磨混合6～48h后，然后再置于60～120℃的干燥箱中干燥2～6h，即得。
本发明的有益效果在于：
1)、本发明制备出的高熵合金涂层致密度良好，和基体的冶金结合度较好，无需考虑基材与靶材的限制要求；并且制备的高熵合金涂层组织均匀，避免了裂纹的出现，克服了利用等离子熔覆及磁控溅射制备方法容易产生缺陷的问题，使高熵合金具有的高硬度、耐磨性能够得到充分的发挥。
2)、本发明金属液浇注温度相对容易可控，避免了在激光熔覆过程中由于瞬间温度过高导致高熵合金中某元素烧损从而对综合性能造成较大的影响，进一步保证了本发明制备方法的可靠性。
3)、本发明制备方法中所需用到的生产设备简单，操作可控性强，成本低廉，可进行快速大量工业化生产，具有较大的工业化应用前景。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
图2为本发明高铬铸铁与高熵合金复合合金层的微观组织图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。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。
实施例
S1、预制体的制备：将浓度为4～8wt％的聚乙烯醇水溶液作为粘接剂加入粒径为50～200目的经过球磨机混合高熵合金涂层粉末原料AlCrFeCoNiTi0.5(该分子式含义为：0.5代表组分中Ti的原子相对比例，Al、Cr、Fe、Co、Ni的原子相对比例均为1，也即Al、Cr、Fe、Co、Ni的原子百分比均为18.18％，Ti的原子百分比为9％)混合形成糊状，然后用油压式压片机在20～40MPa压力下将其压制成4～5mm厚，直径20mm的圆柱状预制体，再将预制体放置在温度为60～120℃真空干燥箱干燥1～3h；
S2、造型：使用市售的呋喃树脂砂和树脂油、固化剂混合后制作“T”型砂型型腔，其中，树脂油占砂重的2％，固化剂占砂重的1％，二者不可直接混合；待砂型固化后，在“T”型型腔壁两侧对称开凿2个凹槽，把2个S1中的预制体分别放置在凹槽中；
S3、浇注：在常温常压下将1650℃的熔融态的高铬铸铁金属液浇入到铸型内，预制体在金属液的热量作用下发生溶解扩散，凝固后在高铬铸件表面形成高熵合金涂层；也即，该步骤中表面涂层是通过预置高熵合金粉末预制体，经液态金属浇注并凝固后形成在铸件特定部位的表面，具体的流程图如图1所示。
另外，对表面已生成合金层的高铬铸铁可进行后续热处理：首先650℃预热2h，防止铸件在加热过程中开裂并减少残余奥氏体，然后升温至1000℃保温2h，空冷至室温后260℃回火保温2h。
其中，高熵合金涂层粉末原料不限于上述的一种，按原子百分比计，包括Al,Cr,Fe,Co,Ni,Ti,Cu或者Mn元素中任意多种的组合，且保证各原子百分比含量均在5～25％即可；其中各组分的纯度均为工业纯或者99％以上。将上述原料经过球磨混合6～48h后，然后再置于60～120℃的干燥箱中干燥2～6h，即得高熵合金粉末。
对上述实施例进行表征试验
经过热处理后，对最终制得的高熵合金涂层进行显微硬度测试及金相组织观察。
显微硬度测试结果显示基体的硬度为691HV，高熵合金涂层的硬度为882HV。金相组织观察如图2所示，显示高熵合金涂层致密性好，涂层与基体冶金结合性良好，组织均匀，无裂纹的产生，涂层的硬度高于基体。克服了利用等离子熔覆及磁控溅射制备方法容易产生缺陷的问题，使高熵合金具有的高硬度、耐磨性能够得到充分的发挥。
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 (10)
1.一种铸件表面高熵合金涂层的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
S1、预制体的制备：将粘接剂加入高熵合金涂层原料粉末中，混合形成糊状，然后压制成圆柱状预制体，再将预制体烘干；
S2、造型：制作砂型型腔，待砂型固化后，在型腔壁零件特定部位开凿凹槽，把S1中的预制体放置在凹槽中；
S3、浇注：在常温常压下将熔融态的金属液浇入到型腔内，预制体在金属液的热量作用下发生溶解扩散，凝固后在铸件表面形成高熵合金涂层。
2.根据权利要求1所述的一种铸件表面高熵合金涂层的制备方法，其特征在于：步骤S1中粘接剂选用聚乙烯醇水溶液或酒精。
3.根据权利要求2所述的一种铸件表面高熵合金涂层的制备方法，其特征在于：步骤S1中粘接剂选用聚乙烯醇水溶液时，其溶质含量为4～8wt％。
4.根据权利要求3所述的一种铸件表面高熵合金涂层的制备方法，其特征在于：步骤S1中，高熵合金涂层原料粉末的粒径为50～200目；采用油压式压片机在20～40MPa压力下将糊状物压制成厚3～5mm、直径为10～30mm的圆柱状预制体，且压制成的圆柱状预制体放置在温度为60～120℃真空干燥箱烘干1～4h。
5.根据权利要求4所述的一种铸件表面高熵合金涂层的制备方法，其特征在于：步骤S2中，将呋喃树脂砂、树脂油和固化剂依次混合后制作“T”型砂型型腔；其中，树脂油占砂重的2％、固化剂占砂重的1％。
6.根据权利要求5所述的一种铸件表面高熵合金涂层的制备方法，其特征在于：所述凹槽在“T”型砂型型腔的两侧开为对称的多个；所述凹槽设为长方体或圆柱体，相应的，凹槽的宽度或直径大小与预制体的直径大小相当，厚度大于预制体的厚度。
7.根据权利要求6所述的一种铸件表面高熵合金涂层的制备方法，其特征在于：所述凹槽在“T”型砂型型腔的两侧开为对称的2个，所述凹槽的厚度为6～8mm。
8.根据权利要求1所述的一种铸件表面高熵合金涂层的制备方法，其特征在于在步骤S3之后，铸件表面形成的高熵合金涂层再进行后续热处理：S3得到的高熵合金涂层首先在650℃预热2h，然后升温至1000℃保温2h，空冷至室温后260℃回火保温2h。
9.一种用于权利要求1至8任一项所述铸件表面高熵合金涂层制备方法中的高熵合金粉末，其特征在于：按原子百分比计，包括Al,Cr,Fe,Co,Ni,Ti,Cu或者Mn元素中任意多种的组合，且各原子百分比含量均在5～25％；各组分的纯度均为99％以上。
10.根据权利要求9所述的一种高熵合金粉末的制备方法，其特征在于：所述的高熵合金粉末原料经过球磨混合6～48h后，然后再置于60～120℃的干燥箱中干燥2～6h，即得。
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