基于高熵合金粉末、表面仿生犁铧自磨刃涂层制备方法

技术领域

本发明涉及农机具加工技术领域，具体涉及的是基于高熵合金粉末、表面仿生犁铧自磨刃涂层制备方法。

背景技术

在现代化农业生产中，农业机械被广泛使用，农业机械化的发展给农业生产带来了巨大改变，因而农业机械化作业的稳定性和可靠性显得尤为重要。影响农业机械的稳定性和可靠性的因素有很多，其中主要问题在于农机具使用过程中的农业机械部件的磨损较为严重。调查显示每年因农业机械部件失效所引起的农机故障情况约占50%，而其中农业机械触土部件发生磨损失效和断裂失效，约占农机部件失效的80%，因此如何提高农机具触土部件的耐磨问题对于农业机械化发展起着关键性的作用。

农机具触土部件在土壤中磨损形式主要为磨料磨损，农机零件中犁铧、耙片、深松铲、开沟器、旋耕机刀片等破碎土壤的刀具，其磨损主要是刀刃切入土壤和破碎土块时受到石块、砂粒等硬磨粒的强烈磨损。针对农机具触土部件表面的这一磨损机理的耐磨处理工艺，现有处理方法：增材处理方法，即在农机具表面形成一种耐磨层，例如：堆焊、熔覆、热喷涂技术等，可以实现增强农机具触土部件的耐磨性能。但其主要缺点是农机具表面与耐磨层不易结合，易断裂，并且操作复杂，成本高等。

发明内容

本发明的目的是提供基于高熵合金粉末、表面仿生犁铧自磨刃涂层制备方法，这种基于高熵合金粉末、表面仿生犁铧自磨刃涂层制备方法用于解决农机具使用过程中的触土部件磨损较为严重的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种基基于高熵合金粉末、表面仿生犁铧自磨刃涂层制备方法包括如下步骤：

步骤一、对基材65Mn钢表面预处理；

步骤二、制备Al

Al: Fe:Co: Ni:Cr:W=2:1:1:1:1:0.5；高熵合金粉末的尺寸为200-300目；

步骤三、制备表面仿生涂层：

以步骤二得到的Al

上述方案步骤二中高熵合金粉末的尺寸为200-300目的制备方法：首先用QXQM-4L型行星式球磨机对配比好的Al粉末、Fe粉末、Co粉末、 Ni粉末、Cr粉末、W粉末进行混合研磨，球料比为 2:1，球磨机的转速是 180 r/min，混合研磨时间为 2.5 h；混粉试验完成后，将混合粉末收集，放置于烘干箱中烘干，烘干时间60 min，温度80℃，得到尺寸为200-300目的高熵合金粉末。

上述方案中激光熔覆方法具体为：采用JSD-3000W连续光纤激光器制备Al

上述方案中棱纹型仿生减阻耐磨结构为扇贝表面棱纹型几何结构，棱纹截面为弧形，棱纹与基材的接触面宽为5mm，棱纹弧形最高处h=3mm，棱纹型仿生减阻耐磨结构位于犁铧与土壤接触的下部，棱纹型仿生减阻耐磨结构在犁铧上的间距为2mm。

上述方案中凸包型仿生减阻耐磨结构为臭蜣螂头部凸包型几何结构，凸包的球冠底部直径D=10 mm，球冠高度h=2 mm，凸包型仿生减阻耐磨结构位于犁铧与土壤接触的上部，凸包型仿生减阻耐磨结构在犁铧上的分布密度采用30%。

有益效果

（1）本发明利用激光熔覆技术在犁铧刀刃的两侧分别制备了高熵合金涂层，以形成耐磨性不同的两个仿生表面,从而导致刀刃越磨越锋利，达到自磨刃的效果，其能够实现将激光熔覆技术与仿生表面技术的结合处理，有效的提高了犁铧表面的耐磨和减阻性能。

（2）本发明对高熵合金粉末的组成及激光熔覆参数进行了优选，采用本发明方法制备的熔覆层具有宏观成形性好、微观组织致密、结合强度高、稀释率低且硬度高，耐磨性好的特点。

（3） 本发明对仿生表面的结构进行了优选，采用本发明方法制备的仿生表面涂层，能够有效提高犁铧的防粘土能力，从而有效实现耐磨减阻的功能，并显著提高刀具的自磨刃效果。

（4）采用本种方法制备的自磨刃犁铧，可直接提高耕整地机械整机的可靠性、使用寿命、作业效率，降低作业能耗，同时，由于无故障作业时间延长而辅助时间大幅度缩短（更换犁铧、维修等）。

(5) 采用本发明方法制备的自磨刃犁铧，其主要在65Mn钢表面利用激光熔覆技术制备高熵合金涂层，以形成耐磨性不同的两个仿生表面,从而导致刀刃越磨越锋利，达到自磨刃的效果，其能够实现将激光熔覆技术与仿生表面技术的结合处理，有效的提高了犁铧表面的耐磨和减阻性能。

(6) 本发明犁铧两侧表面设有不同耐磨程度的熔覆层，从而导致刀刃越磨越锋利，达到自磨刃的效果，大大提高了犁铧的使用寿命。

附图说明

图1是犁铧背面图；

图2是犁铧正面图；

图3是犁铧立体图一；

图4是犁铧立体图二；

图5是犁铧立体图三；

图6是凸包布置图。

具体实施方式

这种基于高熵合金粉末、表面仿生犁铧自磨刃涂层制备方法包括如下步骤：

步骤一、对基材65Mn钢表面预处理。

步骤二、制备Al

Al: Fe:Co: Ni:Cr:W=2:1:1:1:1:0.5；高熵合金粉末的尺寸为200-300目。

Fe、Co、Cr、Ni等元素多为fcc结构稳定元素，组成的高熵合金涂层中滑移系较多，有大量的位错或孪晶等缺陷来承载变形，有利于塑性的提升。Al元素是常用的合金化元素，具有促进fcc结构向bcc结构转变的作用，且与其他元素有较好的互溶性，可以抑制Laves相的析出，避免其对塑性的危害，同时易与B2相共格析出，起到强化作用。轻量化Al元素的添加，可以使Al

步骤三、制备表面仿生涂层：

以步骤二得到的Al

高熵合金通常具有较高的硬度、耐磨性和优异的耐蚀性，能够适应严苛服役环境。通过在传统材料表面涂覆高性能高熵合金保护层，不仅能拓展传统材料的应用范围，提高材料的利用效率以控制成本，还可以最大限度的发挥高熵合金优异可靠性的特点。

激光熔覆技术是一种利用激光束在金属表面快速熔覆合金涂层的表面改性技术。经高能激光辐照后使得材料和基体快速融合，通过多道搭接可以在基体上形成一定厚度的熔覆层。相比于其他类型的表面改性技术如热喷涂和磁控溅射，激光熔覆高熵合金涂层具有结合强度高、稀释率低、硬度高、耐磨性好以及微观组织致密等优良特性。

实施例

这种基于高熵合金粉末、表面仿生犁铧自磨刃涂层制备方法包括如下步骤：

（1）表面预处理：

基材65Mn钢的尺寸为40×20×10mm，熔覆前使用角磨机对待熔覆表面进行打磨处理，去除表面的油污、铁锈和氧化膜；接着，使用400# SiC砂纸打磨表面以去除角磨机打磨后留下的旋转痕迹，直至明显的痕迹消失，表面均匀、呈光亮色。在超声清洗仪中加入无水乙醇，清洗约600 s，取出后放入干燥箱中，烘干温度60℃、时长1h。待烘干结束后，使用丙酮擦拭熔覆表面，再次去除表面油污，对基材加热至200 ℃后保温从而减少裂纹的产生,最后使用密封袋真空密封备用。

（2）制备高熵合金粉末

所述高熵合金粉末以摩尔比计，其原料组成为：

Al: Fe:Co: Ni:Cr:W=2:1:1:1:1:0.5。

为制备Al

混粉试验完成后，将混合粉末收集，放置于烘干箱中烘干，时长60 min，温度80℃。经球磨处理后的高熵合金粉末的尺寸为200-300目。

（3）制备表面仿生涂层

结合仿生扇贝表面棱纹型几何结构和臭蜣螂头部凸包型几何结构，以上述Al

所述激光熔覆工艺，采用JSD-3000W连续光纤激光器制备Al

按照棱纹型仿生减阻耐磨结构尺寸参数在犁铧背面进行熔覆，得到棱纹型仿生减阻耐磨结构，按照凸包型仿生减阻耐磨结构尺寸参数在犁铧正面进行熔覆，得到凸包型仿生减阻耐磨结构。

所述犁铧两侧表面设有不同耐磨程度的熔覆层，从而导致刀刃越磨越锋利，达到自磨刃的效果，大大提高了犁铧的使用寿命。

所述棱纹型仿生减阻耐磨结构的棱纹截面为弧形，棱纹与基材的接触面宽为5mm，棱纹弧形最高处h=3mm,棱纹间距为1mm。

所述凸包型仿生减阻耐磨结构所采用的特征尺寸为，球冠底部直径D=10 mm，球冠高度h=2 mm，仿生结构在犁铧上的分布密度采用30%。

本发明与现有技术的对比：

（条加凸对普通）粘附阻力降低13%，厚度磨损量降低77%，长度磨损量降低32%，宽度磨损量降低23%，总磨损量降低21%。表中条为犁铧只有一面有棱纹，凸为犁铧只有一面有凸包，普通为在犁铧表面形成一种耐磨层，条加凸指本发明制备的犁铧。

（条加凸对条）粘附阻力降低50%，厚度磨损量降低52%，长度磨损量降低28%，宽度磨损量降低10%，总磨损量降低11%。

（条加凸对凸）粘附阻力降低5%，厚度磨损量降低69%，长度磨损量降低18%，宽度磨损量降低14%，总磨损量降低12%。

可见，本发明制备的犁铧由于两侧表面设有不同耐磨程度的熔覆层，从而导致刀刃越磨越锋利，达到自磨刃的效果，大大提高了犁铧的使用寿命。