CN116411213A - 一种高熵合金涂层材料及等离子熔覆制备耐磨涂层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高熵合金涂层材料，包括：FeCoCrNiAl高熵合金粉和钇粉；钇粉的重量为FeCoCrNiAl高熵合金粉重量的0.5‑1.0wt.％。还提供了一种等离子熔覆制备耐磨涂层的方法，以所述高熵合金基涂层材料采用等离子熔覆工艺能够直接在基材表面制备得到具有单一BCC结构的FeCoCrNiAl涂层，无需再进行热处理，可在有效降低成本的同时获得高性能的耐磨涂层。

Description

一种高熵合金涂层材料及等离子熔覆制备耐磨涂层的方法

技术领域

本发明属于高熵合金涂层领域，尤其涉及一种高熵合金涂层材料及等离子熔覆制备耐磨涂层的方法。

背景技术

高熵合金(HighEntropyAlloy，HEA)一般由4种及以上元素按等物质的量比或近等物质的量比构成，各元素质量分数为5％～35％。多组分原子间形成的高混合熵抑制了金属间化合物的生成，促进了简单晶体结构固溶体的形成。在独特的高熵效应、晶格畸变效应、原子延迟扩散效应和鸡尾酒效应的共同作用下，HEA往往具有比其他合金更优异的机械性能与化学性能，如高强度、高硬度、优异的耐磨性、良好的耐腐蚀性及热稳定性等。因此，HEA具备突破现役材料性能瓶颈的巨大应用潜力。

摩擦磨损问题一直是工程材料应用过程中面临的一大挑战。一些具备优异摩擦磨损性能的HEA可以通过涂层的形式来弥补传统材料耐磨性差的不足。目前，HEA涂层的制备技术主要包括激光熔覆、等离子熔覆、冷喷涂、电火花沉积等。其中，等离子熔覆由于能量密度适中，在熔覆过程中既能使涂层材料充分熔融，又能将基体的热变形控制在较小范围内，使得涂层与基体能够良好的结合。此外，等离子熔覆具备生产成本低、效率高等特点，在大尺寸构件覆盖面的熔覆方面具有明显优势。

研究表明，由单一BCC相构成的FeCoCrNiAl高熵合金具有优异的耐磨性能。但等离子熔覆过程中BCC结构容易被破坏，转变为FCC结构或生成σ相，FCC相具有相对较高的延展性，但强度较低，严重影响涂层的耐磨性。熔覆后合适的退火热处理可使涂层重新形成单一BCC结构，提升其耐磨性。然而，生产中的热处理过程会降低生产效率、增加生产成本。因此，亟待提出一种可通过等离子熔覆直接制备出单一BCC结构的FeCoCrNiAl涂层的方法。

发明内容

基于上述技术问题，本发明提出了一种高熵合金涂层材料，以一定量的稀土对FeCoCrNiAl合金成分进行改性得到。所述高熵合金涂层材料能够适用于等离子熔覆工艺，直接在基材表面得到具有单一BCC结构的FeCoCrNiAl涂层。

本发明具体方案如下：

本发明目的之一在于，提供了一种高熵合金涂层材料，包括：FeCoCrNiAl高熵合金粉和钇粉；钇粉的重量为FeCoCrNiAl高熵合金粉重量的0.5-1.0wt.％。

针对FeCoCrNiAl高熵合金涂层在等离子熔覆的快速冷却过程中会析出非稳态的Fe-Cr相，具有FCC结构，对涂层硬度、耐磨性产生的不利影响这一技术问题，本发明通过向FeCoCrNiAl中加入稀土钇，并严格控制钇的含量在特定范围内，既可以有效抑制Fe-Cr相的析出，又能够避免过量加入钇与FeCoCrNiAl高熵合金中的Ni形成的Ni-Y相，Ni-Y相周围会形成富Cr区、Fe-Co区域，相互促进生长，最终生成大量贫Al的FeCoCrNi相(FCC结构)，使得熔覆后的涂层仍具有典型的高熵效应，实现其高硬度、高耐磨性的特点。

优选地，FeCoCrNiAl高熵合金粉中Fe、Co、Cr、Ni、Al的原子比为0.8-1:0.8-1:0.8-1:0.8-1:0.8-1。

优选地，FeCoCrNiAl高熵合金粉的粒径为53-105μm；钇粉的粒径为200-400目。

优选地，其制备方法包括：将FeCoCrNiAl高熵合金粉与钇粉按比例混合，然后在惰性气氛保护下干燥得到。

优选地，所述制备方法中，干燥温度为100-200℃，干燥时间为1-4h。

优选地，惰性气氛为氩气或氮气。

本发明目的之二在于，提供了一种等离子熔覆制备耐磨涂层的方法，以上述任一项高熵合金涂层材料采用等离子熔覆工艺在基材表面制备耐磨涂层。

优选地，所述等离子熔覆工艺参数包括：熔覆电流180-200A、离子气流量2.0-2.5L/min、熔覆速度100-150cm/min、熔覆层搭接率40％-60％。

优选地，等离子熔覆前将基材预热至180-220℃；优选地，预热方式选自电阻加热、火焰加热、感应加热中的任意一种。

在对基材预热前，还包括对基材表面的预处理。所述预处理方法为本领域常规方法，包括但不限于：对基板进行打磨、抛光，去除表面氧化层、油渍等污物，再经酒精或丙酮溶液等溶液清洗后待用。

还包括，等离子熔覆后的后处理步骤。所述后处理方法为本领域常规方法，包括但不限于：熔覆后表面经磨屑、车铣等方式去除粗糙区域，获得光亮洁净的熔覆涂层表面。

优选地，所述基材为铁基材料；优选地，所述基材选自45钢、Q235钢、316不锈钢中任意一种。

本发明有益效果为：

针对等离子熔覆FeCoCrNiAl高熵合金过程中因其单一BCC结构被破坏而引起的涂层耐磨性降低问题，本发明以一定量的钇粉对FeCoCrNiAl高熵合金进行改性，得到了适用于等离子熔覆工艺的高熵合金涂层材料。利用该涂层材料采用等离子熔覆工艺能够直接获得具有单一BCC结构的FeCoCrNiAl涂层，无需后续的热处理工艺，可有效降低生产成本。

进一步，通过对等离子熔覆工艺的优化能够得到高硬度、高致密度的FeCoCrNiAl耐磨涂层。

附图说明

图1为实施例1-2以及对比例1得到耐磨涂层的表面形貌图；

图2为实施例1-2以及对比例1得到耐磨涂层的截面形貌图；

图3为实施例1-2以及对比例2-3得到耐磨涂层的XRD图；

图4为实施例1-2以及对比例2-3得到耐磨涂层的背散射图；

图5为实施例1-2以及对比例2-3得到耐磨涂层的硬度分布图；

具体实施方式

下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明，但是应该明确提出这些实施例用于举例说明，但是不解释为限制本发明的范围。

实施例1

一种高熵合金涂层材料，包括：FeCoCrNiAl高熵合金粉和稀土钇粉；钇粉的重量为FeCoCrNiAl高熵合金粉重量的0.5wt.％；其中：(1)FeCoCrNiAl高熵合金中Fe、Co、Cr、Ni、Al的原子比为1:1:1:1:1；FeCoCrNiAl高熵合金粉的粒径范围为53-105μm，粉末粒径分布符合正态分布规律；(2)钇粉的粒径为200目。其制备方法为：按比例称取FeCoCrNiAl高熵合金粉与钇粉置于带真空保护的三维混粉机中，经3h的充分混合后，取出，置于氩气保护下于160℃烘干2h得到。

以本实施例所述高熵合金涂层材料作为耐磨层材料，采用等离子熔覆工艺在45钢基材表面制备耐磨涂层，具体参数包括：预热温度200℃，熔覆电流180A、离子气流量2.0L/min、熔覆速度100cm/min、熔覆层搭接率40％。

本实施例得到的耐磨涂层的表面形貌图如图1(a)所示；截面形貌图如图2(a)所示；XRD图如图3(0.5wt.％Y)所示；背散射图如图4(b)所示，可以看出涂层主要结构由单一BCC相组成。所述涂层表面质量良好，致密度99％以上，硬度高达525HV。

实施例2

一种高熵合金涂层材料，包括：FeCoCrNiAl高熵合金粉末和稀土钇粉；钇粉的重量为FeCoCrNiAl高熵合金粉末重量的1.0wt.％；其中：(1)FeCoCrNiAl高熵合金中Fe、Co、Cr、Ni、Al的原子比为1:1:1:1:1；FeCoCrNiAl高熵合金粉粒径范围为53-105μm，粉末粒径分布符合正态分布规律；(2)钇粉的粒径为400目。其制备方法为：按比例称取FeCoCrNiAl高熵合金粉末与钇粉置于带真空保护的三维混粉机中，经3h的充分混合后，取出，置于氩气保护下于160℃烘干2h得到。

以本实施例所述高熵合金涂层材料作为耐磨层材料，采用等离子熔覆工艺在45钢基材表面制备耐磨涂层，具体参数包括：预热温度200℃，熔覆电流200A、离子气流量2.5L/min、熔覆速度150cm/min、熔覆层搭接率60％。

本实施例得到的耐磨涂层的表面形貌图如图1(b)所示；截面形貌图如图2(b)所示；XRD图如图3(1.0wt.％Y)所示；背散射图如图4(c)所示，可以看出涂层主要结构仍由BCC相组成，但存在少量FCC相，说明FeCoCrNiAl涂层的高熵效应还能得到保留，但1.0wt.％的钇添加量已属于上限。所述涂层表面质量良好，致密度99％以上，硬度高达535HV。

对比例1

采用实施例1所述的高熵合金涂层材料，利用等离子熔覆工艺在45钢基材表面制备耐磨涂层，具体参数包括：预热温度200℃，熔覆电流150A、离子气流量1.5L/min、熔覆速度100cm/min、熔覆层搭接率50％。

本对比例得到的耐磨涂层的表面形貌图如图1(c)所示，截面形貌图如图2(c)所示；可以看出，获得涂层表面出现裂纹，截面出现大量孔洞。

对比例2

以单纯的FeCoCrNiAl粉末(FeCoCrNiAl高熵合金中Fe、Co、Cr、Ni、Al的原子比为1:1:1:1:1；粒径范围为53-105μm，粉末粒径分布符合正态分布规律)为耐磨层材料，采用等离子熔覆工艺在45钢基材表面制备耐磨涂层，具体参数包括：预热温度200℃，熔覆电流180A、离子气流量2.0L/min、熔覆速度100cm/min、熔覆层搭接率40％。

本对比例得到的耐磨涂层的XRD图如图3(0Y)所示，背散射图如图4(a)所示，可以看出由大量BCC和FCC两种结构混合组成。所述涂层表面质量良好，致密度99％以上，硬度495HV。

对比例3

一种高熵合金涂层材料及其制备方法，与实施例1相同，区别仅在于稀土钇加入量为FeCoCrNiAl高熵合金粉重量的1.5wt.％。

以本对比例所述高熵合金涂层材料作为耐磨层材料，采用等离子熔覆工艺在45钢基材表面制备耐磨涂层，具体参数与实施例1相同。

本对比例得到的耐磨涂层的XRD图如图3(1.5wt.％Y)所示，背散射图如图4(d)所示，主要由大量FCC结构和少量BCC结构组成。所述涂层表面质量良好，致密度99％以上，硬度309HV。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高熵合金涂层材料，其特征在于，包括：FeCoCrNiAl高熵合金粉和钇粉；钇粉的重量为FeCoCrNiAl高熵合金粉重量的0.5-1.0wt.％。

2.根据权利要求1所述的高熵合金涂层材料，其特征在于，FeCoCrNiAl高熵合金粉中Fe、Co、Cr、Ni、Al的原子比为0.8-1:0.8-1:0.8-1:0.8-1:0.8-1。

3.根据权利要求1或2所述的高熵合金涂层材料，其特征在于，FeCoCrNiAl高熵合金粉的粒径为53-105μm；钇粉的粒径为200-400目。

4.根据权利要求1-3任一项所述的高熵合金涂层材料，其特征在于，其制备方法包括：将FeCoCrNiAl高熵合金粉与钇粉按比例混合，然后在惰性气氛保护下干燥得到。

5.根据权利要求4所述的高熵合金涂层材料，其特征在于，所述制备方法中，干燥温度为100-200℃，干燥时间为1-4h。

6.根据权利要求4所述的高熵合金涂层材料，其特征在于，所述制备方法中，惰性气氛为氩气或氮气。

7.一种等离子熔覆制备耐磨涂层的方法，其特征在于，以权利要求1-6任一项所述的高熵合金涂层材料采用等离子熔覆工艺在基材表面制备耐磨涂层。

8.根据权利要求7所述的等离子熔覆制备耐磨涂层的方法，其特征在于，所述等离子熔覆工艺参数包括：熔覆电流180-200A、离子气流量2.0-2.5L/min、熔覆速度100-150cm/min、熔覆层搭接率40％-60％。

9.根据权利要求7或8所述的等离子熔覆制备耐磨涂层的方法，其特征在于，等离子熔覆前将基材预热至180-220℃。

10.根据权利要求7-9任一项所述的等离子熔覆制备耐磨涂层的方法，其特征在于，所述基材为铁基材料；优选地，所述基材选自45钢、Q235钢、316不锈钢中任意一种。

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