一种含内生氧化铝增强相的高熵合金涂层及制备方法

技术领域

本发明属于高熵合金涂层技术领域，具体涉及一种含内生氧化铝增强相的高熵合金涂层及制备方法。

背景技术

高熵合金涂层是由五种及五种以上主要的合金元素按照原子比混合并通过一定方法生长在基体表面的多组元合金涂层。高熵合金涂层具有高的强度、硬度，良好的耐磨性和耐腐蚀性能，能明显改善基体金属的表面性能。目前主要采用的制备高熵合金涂层的方法主要有激光熔覆法、热喷涂法、冷喷涂法、有磁控溅射法、等离子体基离子注入法、电化学沉积法等。这些方法主要是将五种或五种以上金属粉末或块体加热融化生成有五种及五种以上金属元素组成的高熵合金涂层或块体。而为了进一步提高高熵合金的性能，在高熵合金中加入一些陶瓷颗粒作为第二相强化，能够有效提高高熵合金的硬度、耐磨耐蚀等性能。然而加入的陶瓷颗粒在高熵合金中未能达成冶金结合，因此分布不够均匀，容易出现团聚现象。

发明内容

为解决现有技术的不足，针对外加陶瓷颗粒在高熵合金涂层中分布不均匀、外加陶瓷颗粒因表面污染而不能与高熵合金达成理想的润湿性的问题，本发明提供一种含内生氧化铝增强相的高熵合金涂层及制备方法，陶瓷颗粒与高熵合金结合良好，含内生氧化铝增强相的高熵合金涂层耐磨性更好。

为解决现有技术的不足，本发明提供的技术方案为：

本发明提供一种含内生氧化铝增强相的高熵合金涂层的制备方法，包括，

将主体粉末和铝粉混合得到预制粉末；所述主体粉末至少包含一种主元元素的氧化物，所述主元元素至少有四种；

采用激光熔覆工艺或热喷涂工艺，将预制粉末在基体表面逐层涂覆，制备含内生氧化铝增强相的高熵合金涂层。

优选的，所述预制粉末共涂覆4～9层。

优选的，所述激光熔覆工艺的工艺参数为：峰值功率为1～5kw，频率为10～15Hz，扫描速度为80～300mm/s，脉宽为1～5ms，间距为0.3～0.7mm。

优选的，所述激光熔覆工艺的工艺参数为：峰值功率为3kw，频率为12Hz，扫描速度为200mm/s，脉宽为3.0ms，间距为0.55mm。

优选的，采用激光熔覆工艺将预制粉末在基体表面逐层涂覆时，所述预制粉末单次的铺设厚度为150～250μm。

优选的，采用激光熔覆工艺将预制粉末在基体表面逐层涂覆时，所述预制粉末单次的铺设厚度为200μm。

优选的，所述热喷涂工艺包括电弧喷涂、火焰喷涂、超音速火焰喷涂和等离子喷涂。

优选的，所述电弧喷涂的工艺参数为：喷涂距离为100～200mm，雾化压力为0.6～0.7MPa，基体移动速度为50～150mm/s，电弧喷涂电压为32～33V，送丝速度为25～40mm/s。

优选的，所述电弧喷涂的工艺参数为：喷涂距离为150mm，雾化压力为0.65MPa，基体移动速度为100mm/s，电弧喷涂电压为32.5V，送丝速度为30mm/s。

优选的，采用热喷涂工艺将预制粉末在基体表面逐层涂覆时，制备的含内生氧化铝增强相的高熵合金涂层单层的厚度为20μm。

本发明另一方面提供一种含内生氧化铝增强相的高熵合金涂层，所述含内生氧化铝增强相的高熵合金涂层由主体粉末与铝粉混合均匀后经激光熔覆或热喷涂制备而成，所述主体粉末至少包含一种主元元素的氧化物；所述主元元素至少有四种。

本发明的有益效果：

1)本发明提供的含内生氧化铝增强相的高熵合金涂层及制备方法，通过激光熔覆或热喷涂引发铝热反应，一步制备含内生氧化铝增强相的高熵合金涂层，相比于传统的外加陶瓷颗粒制备的高熵合金涂层，内生氧化铝的粒径小于1微米，远低于外加氧化铝颗粒的粒径，且内生氧化铝的分布更加均匀，与高熵合金的结合更为紧密；

2)本发明采用金属氧化物与铝粉制备高熵合金涂层，由于金属氧化物的价格明显低于金属粉末的价格，因此本发明所提供含内生氧化铝增强相的高熵合金涂层的制备方法可以降低生产成本；

3)本发明提供的含内生氧化铝增强相的高熵合金涂层在空气环境下，往复式摩擦12000次中表现出良好的耐磨性。

附图说明

图1为本发明提供的含内生氧化铝增强相的高熵合金涂层的制备方法的流程图；

图2为本发明实施例1提供的含内生氧化铝增强相的高熵合金涂层的扫描电镜图；

图3为本发明实施例1提供的含内生氧化铝增强相的高熵合金涂层的能谱分析图；

其中，1、含内生氧化铝增强相的高熵合金涂层；2、预设粉末；3、基体。

具体实施方式

下面结合实施方式对本发明作进一步描述。以下实施方式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。

本发明提供一种含内生氧化铝增强相的高熵合金涂层的制备方法，参加图1，包括，

1)制备预制粉末

将主体粉末和铝粉混合得到预制粉末；主体粉末至少包含一种主元元素的氧化物，主元元素至少有四种。主体粉末至少包含一种主元元素的氧化物可以保证铝粉能够与该氧化物发生铝热反应生成内生氧化铝粉末。

除主元元素的氧化物外，主体粉末还可以包含主元元素的单质。从生产成本的角度考虑，由于金属氧化物的成本远低于金属单质的成本，因此主体粉末优选由四种以上主元元素的氧化物组成。

主体粉末中各主元元素的配比没有特别限制，按照所需制备的高熵合金涂层配备即可。

优选的，主体粉末不包含氧化铝，保证制备的含内生氧化铝增强相的高熵合金涂层内的氧化铝全部为内生氧化铝。

优选的，当铝粉过量时，主体粉末中的主元元素至少有四种。此时过量的铝粉可以作为高熵合金的主元元素的补充。

优选的，当铝粉与主元元素的氧化物恰好完全反应时，主体粉末中的主元元素至少有五种。此时铝粉全部生成氧化铝，主体粉末中的主元元素至少有五种才能保证最后生成高熵合金涂层。

优选的，主体粉末与铝粉的粒度为200目，纯度>98％。

优选的，主体粉末与铝粉通过球磨机混合均匀后得到预制粉末。

2)在基体表面逐层制备含内生氧化铝增强相的高熵合金涂层

其中，基体选常用的钢材即可，如Q235、316L、45#等型号的钢材。

由于氧化铝密度较小，若预制粉末单次铺设的厚度过厚，则会出现分层，氧化铝会上浮偏聚在涂层表面，同时单次铺设的厚度过厚，也会因激光功率或热喷涂设备功率的限制出现预制粉末无法熔透或者受热不均匀等现象，因此采用逐层涂覆的方式制备含内生氧化铝增强相的高熵合金涂层。此外，采用逐层涂覆的方式，也可以对已涂覆的含内生氧化铝增强相的高熵合金涂层进行多次加热，可以确保主元元素的氧化物完全反应，也可以同时降低基体对含内生氧化铝增强相的高熵合金涂层的稀释作用。

21)采用激光熔覆工艺，将预制粉末在基体表面逐层涂覆，制备含内生氧化铝增强相的高熵合金涂层：

将预制粉末逐层铺设在基体表面，采用激光熔覆工艺引发铝热反应的同时使预制粉末熔融生成含内生氧化铝增强相的高熵合金涂层。

采用D-ECYW300型脉冲式光纤激光器作为激光熔覆设备，激光熔覆工艺的工艺参数为：峰值功率为1～5kw，频率为10～15Hz，扫描速度为80～300mm/s，脉宽为1～5ms，间距为0.3～0.7mm。

优选的，激光熔覆工艺的工艺参数为：峰值功率为3kw，频率为12Hz，扫描速度为200mm/s，脉宽为3.0ms，间距为0.55mm。

预制粉末单次的铺设厚度为150～250μm，激光熔覆后制备的含内生氧化铝增强相的高熵合金涂层单层的厚度为15～25μm。

优选的，预制粉末单次的铺设厚度为200μm，激光熔覆后制备的含内生氧化铝增强相的高熵合金涂层单层的厚度为20μm。

优选的，预制粉末共铺设4～9层。

优选的，将预制粉末在基体表面再次铺设前需将已涂覆并冷却的含内生氧化铝增强相的高熵合金涂层进行喷砂处理。

22)采用热喷涂工艺，将预制粉末在基体表面逐层涂覆，制备含内生氧化铝增强相的高熵合金涂层：

采用热喷涂工艺可直接在基体表面制备含内生氧化铝增强相的高熵合金涂层。

热喷涂工艺可选自电弧喷涂、火焰喷涂、超音速火焰喷涂和等离子喷涂中的一种。

优选的，预制粉末共涂覆4～9层。

优选的，热喷涂的制备的含内生氧化铝增强相的高熵合金涂层单层的厚度为20μm。

优选的，重复热喷涂前需将已涂覆并冷却的含内生氧化铝增强相的高熵合金涂层进行喷砂处理。

优选电弧喷涂制备含内生氧化铝增强相的高熵合金涂层。电弧喷涂采用上海新业喷涂机械有限公司制造的电弧喷涂装置，型号为ZPG-400B型推、拉式，电弧喷涂的工艺参数为：恒定喷涂距离为100～200mm，雾化压力为0.6～0.7MPa，基体的移动速度为50～150mm/s，电弧喷涂电压为32～33V，送丝速度为25～40mm/s。

优选的，电弧喷涂的工艺参数为：恒定喷涂距离为150mm，雾化压力为0.65MPa，基体的移动速度为100mm/s，电弧喷涂电压为32.5V，送丝速度为30mm/s。

本发明另一方面提供一种含内生氧化铝增强相的高熵合金涂层，含内生氧化铝增强相的高熵合金涂层由主体粉末与铝粉混合均匀后经激光熔覆或热喷涂制备而成，主体粉末至少包含一种主元元素的氧化物，主元元素至少有四种。

优选的，含内生氧化铝增强相的高熵合金涂层厚度为100～200μm。

下述实施例选用的试剂中，Fe

实施例1

(1)制备预制粉末：采用Fe

(2)制备涂层：参见图1，在Q235基体3上铺设预制粉末2，单层厚度为200μm，采用激光熔覆的方法制备含内生氧化铝增强相的Al

激光熔覆的工艺参数为：峰值功率为3kw，频率为12Hz，扫描速度为200mm/s，脉宽为3.0ms，间距为0.55mm。

制备的含内生氧化铝增强相的Al

图2为制备的含内生氧化铝增强相的Al

对图2中谱图33处的颗粒进行点扫描能谱分析，图3为颗粒的能谱分析图，表1为该颗粒的元素成分表，通过表1可以确定该颗粒为氧化铝陶瓷颗粒，表明成功制备了含内生氧化铝增强相的Al

制备的含内生氧化铝增强相的Al

表1元素成分表

实施例2

(1)制备预制粉末：采用Fe

(2)在Q235基体上铺设预制粉末，单层厚度为200μm，采用激光熔覆的方法制得含内生氧化铝增强相的Al

激光熔覆的工艺参数为：峰值功率为3kw，频率为12Hz，扫描速度为200mm/s，脉宽为3.0ms，间距为0.55mm。

制备的含内生氧化铝增强相的Al

制备的含内生氧化铝增强相的Al

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。