一种耐磨抗氧化高熵合金涂层及其制备方法

技术领域

本发明属于涂层制备领域，涉及一种耐磨抗氧化高熵合金涂层及其制备方法，适用于材料表面防护和零部件修补。

背景技术

在航空工业、能源动力工业、冶金工艺中，因高温环境(如高温磨损、高温氧化等)发生失效的零件日益增加，具有有益的高温性能的材料，可有效提高这些零部件的使用寿命。通过在材料表面涂一层耐高温涂层是提高零部件性能的一项重要手段。不仅能达到工业生产中对零部件高温性能的要求，而且能够降低工业生产的成本与修复成本。

高熵合金是一种多主元合金，是由四种或四种以上等量或大约等量金属形成的合金，因其特殊的合金成分，其高温性能远远优异与传统合金，但由于其合金含量较高，导致其制备成本较高，很难大面积应用，涂层制备的应用可以大大节约其成本。但以FeCoCrNi为主的面心立方的高熵合金高温强度低，耐磨性能往往不能满足工况要求，需引入强化相提高其耐磨性能。通过将硬质陶瓷粉末颗粒(如WC、Al

针对上述问题，本发明的目的是提供一种激光熔覆用高熵合金涂层体系，该涂层在激光熔覆过程中具有很好的流动性，从而保证了激光熔覆后容易获得良好的涂层涂覆质量，同时，涂层中添加了一些保护性元素，可以很好的保证重要元素的烧损，利用元素之间的亲和力原位生成纳米陶瓷强化相提高涂层的耐磨抗氧化能力，再通过添加一些活性元素进一步降低涂层的裂纹敏感性，从而使涂层获得硬度高、高温耐磨损、高温抗氧化腐蚀等多种优异性能。涂层制备工艺稳定可靠，涂层质量较好，具有较好的工程应用价值。

发明内容

为了达到上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种耐磨抗氧化高熵合金涂层，该高熵合金涂层成分质量百分比为：15～21％的Fe、15～21％的Co、26～35％的Cr、15～21％的Ni、11～18％的Nb、1～6％的Si、0.1～1.2％的C、1～2％的CeO

如上所述一种耐磨抗氧化高熵合金涂层制备方法，采用预铺粉末法制备，包括以下步骤：

1)根据目标涂层成分称取粉末，包括Co、Cr、Fe、FeNb、FeSi粉末与FeCrC、CeO

2)将称取的粉末进行均匀化混合后并在80～150℃的温度下进行干燥1～4h，得到干燥的混合粉末；

3)将干燥的混合粉末均匀的预铺在基体表面，厚度为0.6～1.5mm，预铺过程中不添加任何粘接剂，然后利用激光将粉末熔覆在基体表面形成耐磨抗氧化高熵合金涂层。

进一步地，步骤1)中的粉末粒度为30～80μm。

进一步地，步骤2)中均匀化混合采用的球磨法中球料比为2～5:1，球磨机转速为30～100r/min，球磨时间为8～24h。

进一步地，步骤3)中的激光将粉末熔覆在基体表面的具体工艺为激光束直径为1～8mm，激光功率密度为150～350W/mm

如上所述的一种耐磨抗氧化高熵合金涂层制备方法，采用同轴送粉法制备，具体步骤如下：

1)根据涂层成分中的Fe、Co、Cr、Ni、Nb、Si、C含量，按比例配置并熔炼成合金熔体，通过气体雾化的方法制备合金粉末；

2)向合金粉末中加入1～2％的CeO

3)将混合粉末置于80～150℃的温度下进行干燥1～4h，得到干燥粉末；

4)将干燥的粉末放入送粉桶中，采用氮气进行送粉，同时利用激光将粉末熔覆在基体表面形成耐磨抗氧化高熵合金涂层。

进一步地，步骤1)中的制备的球形粉末粒径为50～100μm。

进一步地，步骤2)中的CeO

进一步地，步骤4)中的激光熔覆工艺为激光束直径为1～5mm，激光功率密度为150～350W/mm

本发明的技术原理如下：

该高熵合金涂层主要由Fe、Co、Cr、Ni、Nb五种金属元素组成，这五种金属元素中的任一种在该高熵合金粉末所占的原子百分比均为5～35％，相对于现有技术而言，通过控制五种元素的比例，使得涂层体系接近共晶成分点，因此提高了熔覆过程中熔池的流动性，使得涂层的成形质量大大改善，更容易获得良好的涂层涂覆质量。通过添加非金属元素Si的含量占总粉末质量分数的1～10％，在激光熔覆过程进行脱氧造渣，保护涂层在激光熔覆过程中的烧损。

为提高涂层的硬度，本发明在涂层中添加了0.1-1.2％的C，在整个涂层配方中，Nb为强碳化物形成元素，因此在熔覆过程中利用这一点形成NbC陶瓷，提高涂层的高温性能，同时将Nb稳定住，提高了涂层的高温抗氧化特性。并添加了1-2％的CeO

在制备过程中，为了保证混合粉末不被氧化，采用了低转速、少量球、长时间的球磨混合方法，保证粉末不发生氧化的同时混合均匀。对混合粉末进行干燥处理，温度低于80℃无法保证粉末的干燥性，高于150℃会导致混合粉末中少量粉末会发生氧化从而影响熔覆质量，因此，干燥处理选择80～150℃。

由于涂层具有较高的硬度，且存在MC强化颗粒，因此在激光熔覆制备涂层过程中，选择较高的能量输入和较低的扫描速度，控制熔覆过程的线能量密度，降低熔覆过程中的残余应力，在保证涂层不开裂的同时，涂层能够获得致密、细小且弥散分布的MC颗粒。

由于采用了以上的技术方案，本发明涂层在激光熔覆中具有很好的流动性，容易获得良好的涂层涂覆质量，此外，原位生成的细小陶瓷颗粒，使得涂层具有硬度高、高温耐磨损、高温抗氧化腐蚀等多种优异性能，同时少量的活性元素降低了复合涂层的裂纹敏感性，保证了涂层的使用寿命。由于该涂层元素含量较高，因此在使用时需要考虑成本问题，在进行小范围修复的过程中，适合采用预置粉末法，可极大的降低成本；而在制备材料表面涂层时，时采用同轴送粉法，可提高制备效率，不同的制备方法能够极大的保障高熵合金在激光材料表面改性上的工程应用。

附图说明

图1为耐磨抗氧化高熵合金涂层组织。

图2为耐磨抗氧化高熵合金涂层中弥散MC强化相的形貌。

具体实施方式

为使本发明所述涂层的特征、优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施方式对本发明做进一步详细的说明，其中，所述方法未说明的均为常规方法。

实施例1

将13％的Fe粉、17％的Co粉、23％的Cr粉、18％的Ni粉、14％的Nb粉、4％的FeSi75-A粉(含Si 74～80％)、10％的FeCr55C10粉(含Cr 60-65％，含C10％，Fe余量)以及1％的CeO

实施例2

使用雾化成型的方法制备高熵合金粉末，涂层成分化学质量为17％的Fe、18％的Co、30％的Cr、17％的Ni、14％的Nb、3％的Si与1％C。再向该高熵合金粉末中添加1％的CeO

上述实施例仅用于对本发明所提供的技术方案进行解释，并不能对本发明进行限制，凡是依据本发明的技术实质对上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。