[发明专利]一种在锆合金表面制备超硬Zrx

说明书

本发明公开一种在锆合金表面制备超硬Zr_xCrCoFeNi高熵合金涂层的方法，包括如下步骤：(1)将锆合金工件打磨至光亮、清洗、干燥；(2)利用有机溶剂将具有相同的摩尔分数的Co、Cr、Fe和Ni的金属粉末混合成糊状，涂覆在工件表面，然后干燥；对涂层预置处理后的工件进行激光表面熔覆处理；(4)取出经激光表面熔覆处理的工件，获得表面具有Zr_xCrCoFeNi高熵合金涂层的工件。通过本发明方法制备的高熵合金涂层具有枝晶状组织结构，获得的工件表面显微硬度及强度等力学性能显著改善，硬化层深度及组织更加细小均匀；此外，本发明提供的工艺过程操作简便、设备简单，经济实用，技术可靠，效率高，且质量稳定，可实现较好的经济效益。

技术领域

本发明涉及金属材料加工的激光表面熔覆处理技术领域，具体涉及一种在在锆合金表面制备超硬Zr_xCrCoFeNi高熵合金涂层的方法。

背景技术

激光表面熔覆技术，作为一种以高能源、快速在工件表面进行加工，使得一种或多种合金元素与基体材料表面金属快速熔凝，形成良好的冶金结合层从而改善基材表面性能的现代表面改性技术，近年来，因具有高能量、冷却速度快、工件可快速局部地进行加工、工件表面涂层厚度可控、涂层质量高、与基体结合度好，可以显著改变材料的表面性能和寿命，并且可以保留基体材料的良好性能，被研究人员广泛关注和应用。

锆(Zr)合金具有塑性好、优良的抗腐蚀耐腐蚀性能，热中子吸收截面小等优点，在核反应堆燃料元件包壳方面得到应用。然而，作为一种结构材料，要面临在核燃料工作时高温高压冷却水的冲刷、腐蚀以及中子辐照。因此腐蚀、疲劳、裂纹、辐照损伤等失效方式的存在对锆合金的性能提出更高的要求，以保证核反应堆的安全性，包括耐腐蚀性能，耐磨性能，热中子吸收截面小等。

高熵合金是至少含有五种元素且每种元素的含量在5％-35％之间。多种元素的本身所具有的特性之间相互作用使高熵合金呈现出一种复杂效应，体现在高的混合熵、严重的晶格畸变，尤其是组织上与吉普斯相率差距大的具有简单相，结构组成合理的高熵合金具有高硬度、优异的耐磨性、耐蚀性和高温抗氧化性能以及良好的热稳定性等多种优点。高熵合金块体材料的发展和制备受到成本高、成分不均匀和脆性大等缺点的限制，尝试对块体金属材料表面进行高熵合金涂层的设计与制备，实现其表面性能的显著改善，具有不可预测性与挑战性。

发明内容

本发明旨在提供一种在保证基体材料(Zr702)良好性能的基础上对锆合金表面改性获得超硬表面高熵合金涂层的方法，期望工艺过程高效率、操作简便、技术可靠、设备简单，进而实现提高Zr702合金材料表面的显微硬度、强度、耐磨性能、耐腐蚀性能等表面力学性能的目的。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种在锆合金表面制备超硬Zr_xCrCoFeNi高熵合金涂层的方法，包括如下步骤：(1)工件预处理：将锆合金工件打磨至光亮、清洗、干燥；(2)涂层预置处理：利用有机溶剂将具有相同的摩尔分数的Co、Cr、Fe和Ni的金属粉末混合成糊状，涂覆在工件表面，然后干燥；(3)激光表面熔覆处理工艺：对涂层预置处理后的工件进行激光表面熔覆处理；(4)取出经激光表面熔覆处理的工件，获得表面具有Zr_xCrCoFeNi高熵合金涂层的工件。

在本发明一种优选方案中，所述步骤(1)工件预处理包括：依次选用400#、 800#、1000#、1200#、2000#和3000#砂纸将样品打磨至光亮，每换不同数值的砂纸打磨时样品旋转90°；样品打磨完成后用无水乙醇清洗；然后吹干其表面。

在本发明一种优选方案中，所述步骤(2)中有机溶剂为PVA有机溶剂。

在本发明一种优选方案中，所述步骤(2)涂层预置处理的工艺参数为：PVA 有机溶剂浓度为6-10wt.％、涂层预置厚度1000-1200μm、干燥温度80-130℃、干燥时间8-10h。