[发明专利]一种高熵合金涂层的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高熵合金涂层的制备方法，属于合金涂层的制备技术领域。

背景技术

2004年，叶均蔚和CantorB两位学者率先突破传统研究的框架，几乎同时提出了新的合金设计理念，即多主元高熵合金。它是由五种或五种以上元素组成，原子比为1:1或者近似1:1，且每种元素的成分介于5％到35％之间。高熵合金因具有较高的熵值和原子不易扩散的特性，凝固后不易形成金属间化合物等复杂结构，反而会形成简单的面心立方或体心立方相，同时合金中通常还有纳米析出物与非晶相等，其特性明显优于传统合金。多主元高熵合金是一个可合成、可加工、可分析、可应用的新合金领域,具有很高的学术研究价值和很大的工业发展潜力。

目前，已经被应用于高熵合金涂层的制备方法主要有激光熔覆、磁控溅射和等离子熔覆等。激光熔覆是先将均匀混合的涂层用粉末均匀涂覆在基材上，再利用激光的高温熔化粉末，经快速冷却，从而制备高熵合金涂层。该制备方法需要大型激光器，生产成本较高；同时，激光熔覆的光斑外缘和内缘温度差别大，涂层组织形成不均，应力分配不匀，造成涂层硬度不均且排气浮渣不充分，易形成气孔夹渣；另外，由于不同材料对不同波长激光的吸收能力不同，造成用于激光熔覆材料选择限制较大。此外，磁控溅射沉积速率较高，合金成分容易控制，可以制备薄膜，但是其对靶材要求高，仪器昂贵，不能现场生产，生产成本较高，并且无法制备厚度在mm级别的涂层。等离子熔覆输入热量大，导致基体热变形量大；熔覆后得到的涂层孔隙率高、致密度不好，涂层易从基体表面脱落；且等离子熔覆需要大型专用设备，制备成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高熵合金涂层的制备方法，所制备的高熵合金涂层能满足界面结合强度好、涂层均匀、致密度高、显微硬度高及耐磨性能优异的要求。

技术方案

一种高熵合金涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)将呈现单一面心立方结构的高熵合金粉料置于钢制基材表面，高熵合金粉料厚度1.0～1.5mm；

(2)利用真空热压烧结炉进行烧结：先将炉腔真空度调整为1.0×10^-3Pa，然后以5～10K/min的升温速率升温至800～1000℃，控制烧结压力为20～40MPa，烧结30～90min；

所述高熵合金粉料是由Co、Cr、Fe和Ni金属粉末组成，其中每种金属粉末含量占高熵合金粉料总摩尔数的5～35％。

本发明首次采用真空热压烧结这一操作简单、所用设备常见的方式制备出了高熵合金涂层。

首先，研究实验过程中发现：真空热压烧结方法的工艺参数决定了是否能制备出高熵合金涂层。本发明将“真空热压烧结”的工艺条件设置为“先将炉腔真空度调整为1.0×10^-3Pa，然后以5～10K/min的升温速率升温至800～1000℃，控制烧结压力为20～40MPa，烧结30～90min”从而制备出了成功涂覆于基材的高熵合金涂层。采用本发明的方法获得的高熵合金涂层的厚度为0.3～1.0mm。

其次，本发明的方法，以呈现单一面心立方结构的高熵合金粉料作为原料，采用真空热压烧结方式进行烧结，并通过控制烧结过程，使得所制备的CoCrFeNi高熵合金涂层仍然保持单一面心立方结构；由于各主元原子半径不同，导致CoCrFeNi高熵合金具有较大的晶格畸变，应变能增加，阻碍位错滑移，使固溶强化效果增强，因而涂层具有较高的硬度和优异的耐磨性能。

再次，“真空热压烧结”过程中，升温速率若过快，粉末间隙的气体不易排出，使得涂层致密性受到影响。最高烧结温度与保温时间之间存在一定的相互制约，同时，两者可以在一定程度上相互补偿。此外，烧结后期主要受制于扩散传质，若保温时间过长，晶粒长大且浪费热能；最高烧结温度过高，容易导致涂层用粉末熔化，而温度过低则不能形成致密的涂层。适当的压力可以使得颗粒的堆积更紧密，接触面积越大，涂层越致密。因此，为了获得界面结合强度好、涂层组织均匀、致密度高、显微硬度高及耐磨性能优异的高熵合金涂层，本发明对热压烧结参数进行了进一步限定。

上述方法，优选的，升温速率为10K/min，于950℃、30MPa烧结60min。在此条件下，制备的该涂层与基体的界面结合强度更好、更不容易开裂、更均匀且致密度更高，硬度更高且更耐磨。

上述方法，优选的，所述高熵合金粉料的制备方法：将金属粉末按照比例混合，然后用行星式球磨机进行机合金进化；工艺参数为：转速200～400r/min，球料比10:1～20:1，时间为180～220h。