一种利用电子束物理气相沉积技术制备高铁轴承用高熵涂层的方法

技术领域

本发明属于表面改性技术领域，涉及一种利用电子束物理气相沉积技术制备高铁轴承用高熵涂层的方法。

背景技术

高铁轴承是高速列车传动系统中的核心部件，对高铁的运行性能、寿命、可靠性有重要意义。轴承的寿命与可靠性是限制高铁列车提速的主要原因之一，目前中国京沪高铁的运行速度为350km/h。目前采用现有的轴承钢，高铁提速能力有限。需要采用先进的表面强化技术来强化轴承性能，从而进一步提升列车的速度。

高熵合金一般定义为由五个以上元素组元按照等原子比或接近于等原子比合金化，混合熵高于熔化熵，通常形成高熵固溶体相的一类合金。电子束气相沉积（EB-PVD）技术是电子束与物理气相沉积两种技术的复合产物。利用高能量密度的电子束辐照靶材，会产生瞬间熔化和蒸发，将靶材原子沉积基底上凝结获得涂层或薄膜的一种技术。相比于其他涂层材料的制备技术，EB-PVD工艺所使用的电子枪发射功率高，可以蒸发和沉积高熔点的材料如高熔点氧化物、氮化硼、石墨、硅化物等，另外，由于气相粒子可以不遵守其在液相中必须遵守的溶解度法则，因此该技术可以制备出许多常规冶金工艺很难制备甚至是无法制备的物质。涂层与基体结合不好很容易在涂层服役过程中发生脱落，影响涂层的耐磨性和使用寿命。利用EB-PVD工艺沉积高熵合金涂层，可以获得界面结合良好的涂层，耐磨性大幅度提升，涂层寿命也得到了很好的提高。

现有技术中的EB-PVD方法，沉积过程中蒸发沉积通常形成尺寸大小不一且分布不均匀的熔池，从而导致涂层在使用过程中很容易发生脱落，影响涂层的使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种利用电子束物理气相沉积技术制备高铁轴承用高熵涂层的方法，采用EB-PVD工艺在轴承钢表面制备FeCrCoNiAlMo

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种利用电子束物理气相沉积技术制备高铁轴承用高熵涂层的方法，包括以下步骤：

（1）轴承表面预处理：利用无水乙醇擦拭轴承表面，随后将轴承浸于丙酮溶液中进行超声波处理，处理时间为15~30 min，再将轴承于120℃下烘干10~20min；

（2）电子束物理气相沉积高熵合金涂层：将高熵合金靶材与轴承放置于电子束气相沉积装置中，调节好靶材与轴承的距离为300~500mm并将挡板遮挡轴承的位置，关闭真空室舱门和进气阀，启动电源，按顺序开启机械泵和真空计，待真空度降至5Pa以下，开启分子泵，等待真空度降到6.5×10

作为优选，所述步骤（2）中，高熵合金靶材的材料为FeCrCoNiAlMo

作为优选，所述步骤（2）中，FeCrCoNiAlMo

作为优选，所述步骤（2）中，电子束物理气相沉积处理的工艺参数为：电压6~12KV，束流100~200 mA，蒸汽粒子入射角30~60°，沉积时间为20~60 min，沉积速率为20~750 nm/min。

作为优选，所述步骤（2）中所制备高熵合金涂层的厚度为20~40 μm。

作为优选，所述轴承的材料为8Cr4Mo4V轴承钢、9Cr18轴承钢、G20CrNi2MoA轴承钢、GCr15轴承钢、M50NiL轴承钢、AISI 52100轴承钢中的任意一种。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明中采用EB-PVD工艺在轴承钢表面制备FeCrCoNiAlMo

（2）本发明中EB-PVD技术，由于气相粒子可以不遵守其在液相中必须遵守的溶解度法则，因此该技术可以制备出许多常规冶金工艺很难制备甚至是无法制备的物质，相比于激光熔覆技术更具优势（激光熔覆技术是将合金或粉末经过快速加热和冷却，有液相的生成，形成的涂层是以冶金或者物理结合为主）；

（3）本发明在正式蒸发之前进行预蒸发处理，目的是形成尺寸大小均匀稳定的熔池，熔池凝固后会形成一种凹凸不平的火山坑结构，可以与后续正式蒸发的薄膜进行牢固结合，防止涂层在使用过程中发生脱落，极大地改善了涂层的耐磨性与使用寿命；

（4）本发明在制备工艺方面，通过在电子束物理气相沉积处理前对轴承钢基材进行预热处理，有效减小后续沉积过程中涂层产生的应力，以消除涂层中的微裂纹，提高涂层的使用性能；通过超声清洗等前表面处理使得涂层更易于负载在基体表面，防止漏涂，更有利于气相原子沉积在基体表面；

（5）热膨胀系数是涂层与基体结合牢固的主要影响因素，本发明选择Fe基高熵合金涂层，其与轴承钢基体的热膨胀系数相差较小，无需引入物理性质介于涂层与基体之间的中间涂层来过渡保证涂层不易脱落，本发明中的涂层与基体两者的物理性质差异小，相容性好，匹配度高，涂层能够牢固地附着在基体上且不易脱落，此外热膨胀系数差异小能够避免应力的产生，从而避免裂纹的产生；

（6）本发明在Fe基高熵合金中添加Al以促进生成致密的氧化铝薄膜，这层氧化膜可以在磨损过程中抵抗外力磨损作用，从而影响磨损机制，进而改善涂层的耐磨性；由于轴承在服役磨损过程中会摩擦生热产生高温并增加磨损，本发明通过添加Mo，可以抑制高温作用下产生的磨损，从而改善涂层的高温性能。

本发明通过对高熵合金涂层的元素成分进行组合选用并配合制备工艺的改进，从而有效提高涂层的结合强度和耐磨性能，且工艺方法易于实施，尤其适用于轴承表面改性技术领域。

附图说明

图1为实施例2所制备高熵涂层的SEM截面形貌图；

图2为实施例1-3以及对比例1所制备高熵涂层的摩擦系数对比图；

图3为实施例1-3以及对比例1所制备高熵涂层的摩擦体积对比图；

图4为实施例1-3以及对比例1所制备高熵涂层的磨损率对比图；

图5为实施例1-3以及对比例1所制备高熵涂层的硬度对比图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

实施例1

一种利用电子束物理气相沉积技术制备高铁轴承用高熵涂层的方法，具体制备步骤如下：

（1）轴承表面预处理：利用干抹布蘸取无水乙醇擦拭轴承表面，去除大颗粒污染物，随后将轴承浸没装有丙酮溶液的塑料槽中进行超声波处理，处理时间为15min，倒出丙酮溶液，最后在干燥箱中于120℃下烘干20min，准备电子束物理气相沉积处理；

（2）电子束物理气相沉积高熵合金涂层：将装有高熵合金靶材的铜坩埚与轴承放置于电子束气相沉积装置中，调节好靶材与轴承的距离（靶距为300 mm）并将挡板遮挡轴承的位置，关闭真空室舱门和进气阀。启动电源，按顺序开启机械泵和真空计，待真空度降至5Pa以下，开启分子泵，等待真空度降到6.5×10

步骤（2）中所述高熵合金的靶材材料为FeCrCoNiAlMo

步骤（2）中所制备高熵合金涂层的厚度为20~40 μm。

本实施例所使用的的轴承材料为8Cr4Mo4V轴承钢。

本实施例中FeCrCoNiAlMo

实施例2

一种利用电子束物理气相沉积技术制备高铁轴承用高熵涂层的方法，具体制备步骤如下：

（1）轴承表面预处理：利用干抹布蘸取无水乙醇擦拭轴承表面，随后将轴承浸没装有丙酮溶液的塑料槽中进行超声波处理，处理时间为20 min，倒出丙酮溶液，最后在干燥箱中于120℃下烘干15min，准备电子束物理气相沉积处理；

（2）电子束物理气相沉积高熵合金涂层：将装有高熵合金靶材的铜坩埚与轴承放置于电子束气相沉积装置中，调节好靶材与轴承的距离（靶距为400mm）并将挡板遮挡轴承的位置，关闭真空室舱门和进气阀。启动电源，按顺序开启机械泵和真空计，待真空度降至5Pa以下，开启分子泵，等待真空度降到6.5×10

步骤（2）中所述高熵合金的靶材材料为FeCrCoNiAlMo

步骤（2）中所制备高熵合金涂层的厚度为20~40 μm。

本实施例所使用的的轴承材料为GCr15轴承钢。

本实施例为最佳实施例，FeCrCoNiAlMo

实施例3

一种利用电子束物理气相沉积技术制备高铁轴承用高熵涂层的方法，具体制备步骤如下：

（1）轴承表面预处理：利用干抹布蘸取无水乙醇擦拭轴承表面，随后将轴承浸没装有丙酮溶液的塑料槽中进行超声波处理，处理时间为30 min，倒出丙酮溶液，最后在干燥箱中于120℃下烘干20min，准备电子束物理气相沉积处理；

（2）电子束物理气相沉积高熵合金涂层：将装有高熵合金靶材的铜坩埚与轴承放置于电子束气相沉积装置中，调节好靶材与轴承的距离（靶距为500mm）并将挡板遮挡轴承的位置，关闭真空室舱门和进气阀。启动电源，按顺序开启机械泵和真空计，待真空度降至5Pa以下，开启分子泵，等待真空度降到6.5×10

步骤（2）中所述高熵合金的靶材材料为FeCrCoNiAlMo

步骤（2）中所制备高熵合金涂层的厚度为20~40 μm。

本实施例所使用的的轴承材料为M50NiL轴承钢。

本实施例中FeCrCoNiAlMo

对比例1

与最佳实施例2的区别在于，采用热喷涂法在GCr15轴承钢上制备FeCrCoNiAlMo

对比例1中FeCrCoNiAlMo

参见说明书附图，其中图1显示采用实施例2的方法制备的涂层，其区域截面主要由单一的枝晶组成；图2显示采用实施例1~3的方法制备的涂层，其平均摩擦系数、磨损率和摩擦体积均比对比例1的性能更佳，特别是实施例2的性能最佳；图3显示采用实施例1~3的方法制备的涂层，其硬度均比对比例1的硬度高，特别是实施例2的硬度最高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。