[发明专利]一种超声波辅助等离子热喷涂制备高熵合金涂层的方法

说明书

本发明公开了一种超声波辅助等离子热喷涂制备高熵合金涂层的方法，在刀具表面采用等离子热喷涂一定比例Al、Co、Mo、Ni、Ti、Zr的混合粉末，由于组成元素为近等摩尔的五元以上组元组成，在热喷涂过程中可实现混合，同时在沉积时超声波辅助振动有利于合金元素的均匀混合，最后形成AlCoMoNiTiZr高熵合金涂层，该涂层具有高硬度和高的热稳定，可实现刀具的高效加工。

技术领域

本发明属于高能束表面处理领域，特别涉及刀具表面热喷涂制备耐高温复合涂层的方法。

背景技术

高速钢、高碳钢具有较好的成形性能和成本低的优势，获得了广泛的应用，但其耐磨性和高温性能差使此类刀具受到一定的限制，通过提高其表面性能能够获得较好的耐磨性和高温性能。高熵合金是由五种以上的元素组元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，如高耐磨、耐腐蚀性、高强度、高硬度、高韧性、高温性能等，从而使其成为制作涂层的选择之一。采用等离子喷涂是将粉末材料送入等离子弧中，使粉末颗粒在其中加速、熔化并混合后，利用冲击力的作用在基底上铺展并凝固形成层片，进而通过层片叠层形成涂层的一类加工工艺。它具有生产效率高、制备的涂层质量好、喷涂的材料范围广、成本低等优点。为提高刀具的耐高温性能，通过选择难熔合金制作高熵合金涂层有利于提高高速钢或高碳钢刀具的高温性能，其固有的高熵效应有利于避免难熔合金形成金属间化合物，在刀具的小表面形成一薄层高熵合金，热应力较小，由于采用难熔合金的单质金属粉较难混合均匀，因此通过超声波辅助振动，使难熔合金中的元素达到原子级的均匀，同时降低晶粒度。采用热喷涂在刀具表面制备耐磨涂层，具有工艺简单、不破坏刀具原先的表面组织、对刀具尺寸影响小的特点。

发明内容

本发明的任务是针对现有高速钢或高碳钢刀具表面硬度和耐磨性不足的缺陷，提供一种合理、成熟的制备表面涂层的工艺，在刀具表面制得一种高耐磨、高硬度和韧性的涂层。

本发明所述的超声波辅助等离子热喷涂制备高熵合金涂层的制备工艺是：

步骤一、将一定比例Al、Co、Mo、Ni、Ti、Zr单质金属粉末，按比例用球磨机进行球磨混合，形成混合粉末，其中Al、Co、Mo、Ni、Ti、Zr单质金属粉末的纯度为99.9%~100%，Al、Co、Ni、Ti粒度在40-80μm，Mo、Zr的粒度在10-30μm，混合比例按以下重量比组成：Al为10~12%、Co为15~19%、Mo为15~19%、Ni为19~25%、Ti为12~18%、Zr为15~18%。采用钢制球磨罐进行金属粉的球磨混合，其中磨球与金属粉质量比为2.6-3.1∶1，密封后打开真空阀抽真空25-35分钟，将球磨罐放入行星式球磨机，转速为 260-300 r/min，倒向频率 30-45 Hz，进行球磨混料时间为60-80分钟。

步骤二、选取将要强化的刀具表面，对其清除油污，然后喷砂毛化处理，达到表面粗糙度均匀，无反光，最后对刀具表面进行预热，预热温度控制在250~300℃，刀具材料为高碳钢或高速钢。

步骤三、采用热喷涂的方式对刀具表面预喷涂Ni-Al粘结层，粘结层厚度控制在10-25μm，其中Ni-Al合金粉末的粒度为20-30μm，含Al的质量为8~20%，其余为Ni。

步骤四、采用等离子喷涂设备对刀具表面将混合粉末进行热喷涂，冷却后即为刀具涂层。喷涂工艺参数为：喷涂枪距刀具距离：90-120mm，工作电流：500-700A，工作电压：50-70V，氩气速度：30-50 L/min，H₂速度：5-10 L/min，送粉量：38~70g/min，冷却气压：0.3-0.5MPa，喷涂枪移动速度：30-80mm/s。另外，在刀具基体上安置超声波换能器；在等离子热喷涂时，超声波换能器启动，刀具随超声波换能器一起振动，进行超声波振动辅助热喷涂涂层，直到热喷涂完成。其中，超声波换能器连接有超声波发生器，超声波换能器的输出功率为0.2-2kW，超声波换能器工作频率为20-100kHz，超声波换能器输出振幅为10-35μm。