一种等离子合金化碳化物增强高熵合金涂层的方法

摘要

本发明公开了一种等离子合金化碳化物增强高熵合金涂层的方法，在铝合金表面采用等离子束氩气保护下加热合金化一定比例的Fe‑Cr‑B‑Si、Ni‑Cr‑B‑Si、TiH

说明书

技术领域

本发明属于高能束表面处理领域，特别涉及铝合金表面合金化耐磨复合涂层的方法。

背景技术

铝合金因其密度小、强度高、耐蚀性好、以及加工性能好等得到了广泛应用，但其硬度低、耐磨性差等缺点限制了它的使用范围，制备强化的表面层是提高其耐磨性的一种有效途径。高熵合金为由五种以上的元素按照等原子比或接近于等原子比合金化的合金，具有一些传统合金所无法比拟的优异机械性能，如高强度、高硬度、高韧性、高耐磨、耐腐蚀性等，已成为在材料科学一个新的研究热点。但目前大多高熵合金涂层的制备采用单质金属粉，其中部分单质金属粉如Ni（1455℃）、Cr（1855℃）的熔点高，因此常导致涂层薄且不均匀的缺点。等离子束是一种电弧能量高度集中低成本的高能束，通过将电弧机械压缩，弧柱温度可达10000-24000K，并且对基体有一定的 “挖掘”作用，有利于涂层成分的均匀化，但熔化部分基体会稀释合金粉末成分，而在高熵合金中通常通过添加Al元素使其组织结构转变为体心立方结构，来提高硬度和耐磨性。另外，由于铝合金中的铝极易氧化，给合金化带来一定困难，通过添加适量的TiH₂使其实时释放H₂以避免氧化，同时，采用等离子合金化还有Ar气的保护，由于缺氧避免了H₂的爆炸，但也需要及时抽走以防止与空气混合爆炸。

发明内容

本发明所要解决的问题是由于采用在铝合金表面合金化高熵合金具有铝极易氧化、以及铝合金的熔点低，高熵合金熔点高不易合金化的缺点，采用Ar气、TiH₂实时释放H₂以保护涂层进行合金化。

本发明解决其技术问题所采用的制作方法包括下述工艺步骤：

步骤一、选取将要强化的铝合金作为基体，对零件的待强化表面进行预处理，用砂轮或砂纸打磨待加工零部件的表面除锈，用酒精或丙酮清除零部件表面的油污；

步骤二、将Fe-Cr-B-Si、Ni-Cr-B-Si、TiH₂按一定比例组成混合粉末，并用球磨机进行球磨混合，所用粉末粒径在30-220μm，其中Ni-Cr-B-Si成分的质量百分比为Cr：14~17，B：2.5~4.5，Si：3~4.5，C：0.6~1.0，其余为Ni；Fe-Cr-B-Si成分的质量百分比为Cr：14~17，B：2.5~4.5，Si：3~4.5，C：0.6~1.0，其余为Fe；>2粉的纯度高于99%；混合粉Fe-Cr-B-Si、Ni-Cr-B-Si、TiH₂的质量百分比为：40~45：40~45：10~20。球磨工艺：所述的球磨混合是采用钢制球磨罐进行球磨混合，磨球与金属粉质量比为3~4.5∶1，密封后打开真空阀抽真空20~30分钟，将球磨罐放入行星式球磨机，转速为>

步骤三、将混合粉与压敏胶按一定比例混合制成混合粉，将其涂覆到铝合金基体表面，厚度为2-5mm，宽度7-9mm，在120～140℃烘干1.5～2h。采用等离子束对混合粉加热进行合金化，冷却后即为耐磨涂层。工艺参数设置为：氩气作为保护气及电离气体，合金化参数电流为90-150 A，工作电压20-40 V，扫描速度为3-6 mm/s。在合金化过程中需要采用气罩将分解的H₂及时抽走。气罩功率为0.5~1.5kW。

本发明的有益效果是：

（1）本发明的工艺方法采用高熵合金作为耐磨涂层的基体，能够充分利用其特有的扩散速度慢、对成分变化不敏感的特性，使涂层具有更高的韧性、强度、耐磨性。

（2）本发明使用的是原先常用的Ni-Cr-B-Si、Fe-Cr-B-Si合金化金属粉，具有熔点低、成分均匀，且成本低的优点。

（3）本发明增强相主要有 (Cr,>7C₃种，由于高熵合金固有的迟滞扩散效应，使得合金化过程中初生(Cr,>7C₃的尺寸降低，有利于耐磨性的提高，而添加的TiH₂能够有效避免铝合金的氧化。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进一步描述。

实施例1：

步骤一、选取2A11铝合金作为基体，对其待强化表面进行预处理，用砂轮或砂纸打磨待加工零部件的表面除锈，用酒精或丙酮清除零部件表面的油污；

步骤二、将Fe-Cr-B-Si、Ni-Cr-B-Si、TiH₂按一定比例组成混合粉末，并用球磨机进行球磨混合，所用粉末粒径在100-220μm，其中Ni-Cr-B-Si成分的质量百分比为Cr：14~17，B：2.5~4.5，Si：3~4.5，C：0.6~1.0，其余为Ni；Fe-Cr-B-Si成分的质量百分比为Cr：14~17，B：2.5~4.5，Si：3~4.5，C：0.6~1.0，其余为Fe；>2粉的纯度高于99%；混合粉Fe-Cr-B-Si、Ni-Cr-B-Si、TiH₂的质量百分比为：40：40：20。球磨工艺：所述的球磨混合是采用钢制球磨罐进行球磨混合，磨球与金属粉质量比为4.5∶1，密封后打开真空阀抽真空30分钟，将球磨罐放入行星式球磨机，转速为>

步骤三、将混合粉与压敏胶按一定比例混合制成混合粉，将其涂覆到铝合金基体表面，厚度为2mm，宽度7mm，在120℃烘干1.5h。采用等离子束对混合粉加热进行合金化，冷却后即为耐磨涂层。工艺参数设置为：氩气作为保护气及电离气体，合金化参数电流为90A，工作电压25V，扫描速度为4.5 mm/s。在合金化过程中需要采用气罩将分解的H₂及时抽走。气罩功率为1kW。

结果表明，在铝合金表面形成了由Cr₇C₃增强的AlCrFeNiTi的高熵合金涂层，涂层基本无裂纹、无气孔，厚度为350μm。与基体形成了冶金结合，提高耐磨性6.7倍。

实施例2：

步骤一、选取2A12铝合金作为基体，对其待强化表面进行预处理，用砂轮或砂纸打磨待加工零部件的表面除锈，用酒精或丙酮清除零部件表面的油污；

步骤二、将Fe-Cr-B-Si、Ni-Cr-B-Si、TiH₂按一定比例组成混合粉末，并用球磨机进行球磨混合，所用粉末粒径在50-170μm，其中Ni-Cr-B-Si成分的质量百分比为Cr：14~17，B：2.5~4.5，Si：3~4.5，C：0.6~1.0，其余为Ni；Fe-Cr-B-Si成分的质量百分比为Cr：14~17，B：2.5~4.5，Si：3~4.5，C：0.6~1.0，其余为Fe；>2粉的纯度高于99%；混合粉Fe-Cr-B-Si、Ni-Cr-B-Si、TiH₂的质量百分比为：45：45：10。球磨工艺：所述的球磨混合是采用钢制球磨罐进行球磨混合，磨球与金属粉质量比为3∶1，密封后打开真空阀抽真空20分钟，将球磨罐放入行星式球磨机，转速为>

步骤三、将混合粉与压敏胶按一定比例混合制成混合粉，将其涂覆到铝合金基体表面，厚度为5mm，宽度9mm，在120℃烘干2h。采用等离子束对混合粉加热进行合金化，冷却后即为耐磨涂层。工艺参数设置为：氩气作为保护气及电离气体，合金化参数电流为150 A，工作电压40 V，扫描速度为3 mm/s。在合金化过程中需要采用气罩将分解的H₂及时抽走。气罩功率为1.5kW。

结果表明，在铝合金表面形成了由Cr₇C₃增强的AlCrFeNiTi的高熵合金涂层，涂层基本无裂纹、无气孔，厚度为450μm。与基体形成了冶金结合，提高耐磨性7.2倍。

实施例3：

步骤一、选取5A02铝合金作为基体，对其待强化表面进行预处理，用砂轮或砂纸打磨待加工零部件的表面除锈，用酒精或丙酮清除零部件表面的油污；

步骤二、将Fe-Cr-B-Si、Ni-Cr-B-Si、TiH₂按一定比例组成混合粉末，并用球磨机进行球磨混合，所用粉末粒径在30-220μm，其中Ni-Cr-B-Si成分的质量百分比为Cr：14~17，B：2.5~4.5，Si：3~4.5，C：0.6~1.0，其余为Ni；Fe-Cr-B-Si成分的质量百分比为Cr：14~17，B：2.5~4.5，Si：3~4.5，C：0.6~1.0，其余为Fe；>2粉的纯度高于99%；混合粉Fe-Cr-B-Si、Ni-Cr-B-Si、TiH₂的质量百分比为：45：40：15。球磨工艺：所述的球磨混合是采用钢制球磨罐进行球磨混合，磨球与金属粉质量比为3∶1，密封后打开真空阀抽真空25分钟，将球磨罐放入行星式球磨机，转速为>

步骤三、将混合粉与压敏胶按一定比例混合制成混合粉，将其涂覆到铝合金基体表面，厚度为3mm，宽度8mm，在140℃烘干2h。采用等离子束对混合粉加热进行合金化，冷却后即为耐磨涂层。工艺参数设置为：氩气作为保护气及电离气体，合金化参数电流为120 A，工作电压30 V，扫描速度为3 mm/s。在合金化过程中需要采用气罩将分解的H₂及时抽走。气罩功率为0.5kW。

结果表明，在铝合金表面形成了由Cr₇C₃增强的AlCrFeNiTi的高熵合金涂层，涂层基本无裂纹、无气孔，厚度为480μm。与基体形成了冶金结合，提高耐磨性8.2倍。