FeCoNiCrMn高熵合金及利用该合金制备耐磨涂层的方法

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2023-12-06 13:21:41

权利要求书： 1.一种FeCoNiCrMn高熵合金涂层，其特征在于，按照以下步骤制备：

1）由Fe、Co、Ni、Cr、Mn元素作为主元，按照等原子比形成合金体系，称取纯度高于99.9%的原始粉末，采用气雾化方法制备球形高熵合金粉末；

2）将气雾化制备的高熵合金粉末过筛，选取粒径范围在45 84mm之间的粉末，以保证~

粉末在喷涂过程中良好的流动性，并将高熵合金粉末置于90℃下干燥2小时备用；

3）选用304L不锈钢作为基体，用乙醇超声清洗基体以去除油污，并对基体进行喷砂粗化处理，增加涂层与基体的结合强度；

4）以上述制备的高熵合金粉末作为原料，通过大气等离子喷涂设备在喷砂粗化处理后的基体表面上喷涂，获得FeCoNiCrMn高熵合金涂层的厚度为200mm，喷涂参数为：喷涂电流

518A，喷涂电压54，氩气流量：40L/min，氢气流量：6L/min，送粉率：40g/min，喷涂距离：150mm，喷枪平移速度为200mm/s，每次向下移动3mm，重复喷涂5次；

5）将制备好的高熵合金涂层在氮气保护850℃下热处理4h，目的是使涂层中的合金元素发生充分扩散，析出硬质相，从而提高涂层的硬度。

2.根据权利要求1所述的一种FeCoNiCrMn高熵合金涂层，其特征在于，所述步骤4）中：基体在乙醇中超声清洗15min，喷砂时采用20号棕刚玉砂，喷砂使用的压缩空气压力为0.6MPa，置于90℃下干燥2小时后进行等离子喷涂。

说明书：一种FeCoNiCrMn高熵合金及利用该合金制备耐磨涂层的方法技术领域[0001] 本发明公开了一种FeCoNiCrMn高熵合金耐磨涂层的制备方法，属于工程科学领域。

背景技术[0002] 自2004年首次被提出，高熵合金在材料界掀起很大热潮，引起了研究者的极大兴趣。高熵合金是一种由五种或五种以上元素作为主元，按照等原子比或近等原子比形成的

合金体系，每种元素的原子百分含量在5%?35%之间，由于该合金的多主元特性，高熵合金具

有四大效应，即热力学上的高熵效应，动力学上的迟滞扩散效应，结构上的晶格畸变效应与

性能上的“鸡尾酒”效应，使高熵合金在性能上具有高硬度、高韧性、高耐磨性和耐腐蚀性能

等传统合金不能同时具有的优异性。

[0003] 目前对于高熵合金主要采用熔炼的方法制备的块体合金，CN108103381A提出采用高能球磨制备高熵合金粉末，通过放电等离子烧结制备FeCoNiCrMn块状合金，高熵合金组

成元素均是价格相对较高的金属元素，由于制备块状合金成本高从而阻碍了其在工业上的

广泛应用，采用等离子喷涂工艺制备FeCoNiCrMn高熵合金涂层，可在大幅度降低经济成本

的优势下，在工件表面形成特殊功能的涂层。CN106319513A提出在FeNiAlCrCo高熵合金涂

层制备中添加B元素，从而使涂层粒径减小，提高涂层硬度；CN108103494A提出采用激光熔

覆工艺，在45钢基体上制备了FeCoCrxNiB(x表示Cr元素的摩尔比)高熵合金涂层，并探究最

佳Cr元素含量。以上专利主要研究单个元素对合金体系性能的影响，而高熵合金粉末由多

种单质金属粉合金化而成，在涂层制备过程中因各金属的熔点不一，往往会使高熵合金涂

层产生孔隙、裂纹及不均匀等缺点，在等离子喷涂过程中，氢气流量对于等离子体温度起到

决定性作用，氢气流量越大，喷枪产生的等离子体温度越高。高熵合金粉末采取气雾化制备

而成，使得粉末具有良好的球形度，在喷涂过程中保证粉末的良好流动性；FeCoNiCrMn高熵

合金系统中最大的原子半径差为1.3%，研究表明，当合金体系中最大原子半径差小于12%，

合金体系的焓值将在?40~10kJ/mol之间，根据吉布斯自由能公式Gmix=Hmix?TSmix可知，合金

体系中元素种类增加，会导致合金体系的混合熵大于金属间脆性化合物的熵值，从而抑制

金属间化合物出现，促进合金形成具有单一相的简单固溶体结构；由于高熵合金具有扩散

迟滞效应，在过饱和的固溶体中，易析出硬质相，从而起到弥散强化作用，并且析出的硬质

相在涂层摩擦过程中易形成氧化保护釉层，从而显著提高涂层的摩擦性能。

发明内容[0004] 本发明的目的是提供一种FeCoNiCrMn高熵合金耐磨涂层的制备方法，利用气雾化的方法制备FeCoNiCrMn球形高熵合金粉末，采用大气等离子喷涂工艺在不锈钢基体表面制

备耐磨涂层。通过调整喷涂参数，实现对涂层微观形貌的最大程度优化，得到涂层耐磨性能

最佳的喷涂参数。本发明制备的FeCoNiCrMn高熵合金涂层层间结合良好，组织致密，耐磨性

能极佳。

[0005] 为此本发明采用的技术方案是：一种FeCoNiCrMn高熵合金，由Fe、Co、Ni、Cr、Mn元素作为主元，按照等原子比或近等原子比形成所述的合金体系。

[0006] 所述的FeCoNiCrMn高熵合金，按照以下步骤进行制备：[0007] （1）按照等原子比设计高熵合金成分，称取纯度高于99.9%的原始粉末，将粉末置于气雾化制粉设备的感应坩埚中，以氩气作为保护气体进行熔炼，将充分熔炼的合金溶液

在8MPa高压氩气气流冲击下雾化形成高熵合金粉末；

[0008] （2）将气雾化制备的高熵合金粉末过筛，选取粒径在45 84mm之间的粉末，并将高~

熵合金粉末进行干燥。

[0009] 所述1）步骤中，量取的原始Fe、Co、Ni、Cr、Mn粉末纯度均高于99.9%。[0010] 所述2）步骤中，将高熵合金粉末置于90℃下干燥2小时。[0011] 一种FeCoNiCrMn高熵合金耐磨涂层的制备方法，将FeCoNiCrMn高熵合金粉末喷涂在基体表面上。

[0012] 一种FeCoNiCrMn高熵合金耐磨涂层的制备方法，按照以下步骤进行制备：[0013] （1）选用基体，并对其表面进行处理；[0014] （2）将制备的高熵合金粉末作为原料，采用不同喷涂参数，在处理后的基体表面上进行等离子喷涂，获得FeCoNiCrMn高熵合金涂层；

[0015] （5）对制备的高熵合金涂层进行热处理，获得硬度更高的FeCoNiCrMn高熵合金涂层。

[0016] 所述1）步骤中：基体在乙醇中超声清洗15min，喷砂时采用20号棕刚玉砂，喷砂使用的压缩空气压力为0.6MPa，置于90℃下干燥2小时后进行等离子喷涂。

[0017] 所述2）步骤中：等离子喷涂参数为：喷涂电流518A，喷涂电压54，氩气流量：40L/min，氢气流量：3?6L/min，送粉率：40g/min，喷涂距离：120?150mm，喷枪平移速度为

200mm/s，每次向下移动3mm，重复喷涂5次。

[0018] 所述3）步骤中：热处理温度为800±50℃，时间为2?5h，保护气氛为氮气。[0019] 与现有技术相比，本发明的优点和效果在于：[0020] 1）在本发明中，高熵合金由于其特殊的晶体结构而具有的高熵效应，大幅度提高了合金体系和金属化合物的溶解性，提高合金与金属化合物的结合力。

[0021] 2）在本发明中，采用等离子喷涂技术制备高熵合金涂层，通过改变H2流量以控制焰流温度，使得高熵合金粉末在沉积过程中充分融化，增强扁平化颗粒之间界面结构，降低

涂层的孔隙率并抑制裂纹的生成，得到FeCoNiCrMn高熵合金涂层法的最佳喷涂参数。

[0022] 3）在本发明中，高熵合金涂层经过热处理后不发生相变，保持稳定的Fcc相；由于高熵合金具有扩散迟滞效应，在过饱和的固溶体中，易析出硬质相并起到弥散强化作用，并

且析出的硬质相在涂层摩擦过程中易形成氧化保护釉层，从而显著提高涂层的摩擦性能。

[0023] 4)本发明提出采用大气等离子喷涂技术成本较低，适合应用于工业化生产，制备的FeCoNiCrMn高熵合金涂层具有高硬度、耐磨性等特点，经过后续热处理强化，涂层的硬度

和耐磨性又有了大幅的提高。

[0024] 本发明高熵合金由于其特殊的晶体结构而具有的高熵效应，大幅度提高了合金体系和金属化合物的溶解性，提高合金与金属化合物的结合力，在本发明中，高熵合金涂层成

分设计时，合金系统中最大的原子半径差为1.3%，有利于单一相的形成；采取气雾化制备高

熵合金粉末，得到的粉末球形度好，在喷涂过程中保证粉末的良好流动性；由于高熵合金具

有扩散迟滞效应，在过饱和的固溶体中，易析出硬质相，从而起到弥散强化作用。根据喷涂

温度的不同，硬质相析出数量不同，喷涂中氢气流量决定等离子焰流温度，氢气流量越大，

焰流温度越高，相比与氢气流量为3L/min的涂层，氢气流量为6L/min的高熵合金涂层具

有较高的硬度和优异的耐磨性。

附图说明[0025] 图1为本发明实施例1热喷涂FeCoNiCrMn高熵合金涂层的XRD图谱。[0026] 图2为本发明为实施例1中的FeCoNiCrMn高熵合金涂层的截面SEM图。[0027] 图3为本发明实施例1中FeCoNiCrMn高熵合金涂层高倍SEM下的EDS面扫。[0028] 图4为本发明实施例1中FeCoNiCrMn高熵合金涂层磨痕SEM下的EDS面扫。具体实施方式[0029] 为了便于对本发明的理解，下面结合附图和具体实例对本发明进一步描述，但本发明的实施方式不限于此，基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有创造性改变的前

提下所获得的实施成果均属于本发明保护的范围。

[0030] 本发明用到的粉原料、仪器、设备等均可从市场购得或通过常规方法制备。[0031] 实施例1：[0032] 1.按照等原子比设计高熵合金成分，称取纯度高于99.9%的原始粉末，采用气雾化方法制备球形高熵合金粉末。

[0033] 2.将气雾化制备的高熵合金粉末过筛，选取粒径范围在45 84mm之间的粉末，以~

保证粉末在喷涂过程中良好的流动性，并将高熵合金粉末置于90℃下干燥2小时备用。

[0034] 3.选用304L不锈钢作为基体，用乙醇超声清洗基体以去除油污，并对基体进行喷砂粗化处理，增加涂层与基体的结合强度。

[0035] 4.以上述制备的高熵合金粉末作为原料，通过大气等离子喷涂设备在喷砂粗化处理后的基体表面上喷涂，获得FeCoNiCrMn高熵合金涂层的厚度为200mm。喷涂参数为：喷涂

电流518A，喷涂电压54，氩气流量：40L/min，氢气流量：6L/min，送粉率：40g/min，喷

涂距离：150mm，喷枪平移速度为200mm/s，每次向下移动3mm，重复喷涂5次。

[0036] 5.将制备好的高熵合金涂层在氮气保护850℃下热处理4h，目的是使涂层中的合金元素发生充分扩散，析出硬质相，从而提高涂层的硬度。

[0037] 6.将制备得到的FeCoNiCrMn高熵合金涂层通过X射线衍射分析（XRD）相成分。结果如图1所示，表明FeCoNiCrMn高熵合金涂层的在热处理过程中发生了相的转变，提高了涂

层性能。

[0038] 7.对所制备涂层的截面进行SEM背散射观察，可以明显看出层间结合良好,硬质相分布均匀，如图2所示。再利用EDS面扫对元素分布进行分析，从图中可以看出各元素分布均

匀，如图3所示。

[0039] 8.对所制备涂层进行球盘往复摩擦磨损实验，其中对摩球为硬质合金球、载荷10N、速度40mm/s、磨痕长度5mm、总滑动距离100m。结果表明，喷涂态FeCoNiCrMn涂层的磨

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损率为2.65×10 mm/N·m，热处理后涂层的磨损率为5.13×10 mm/N·m。

[0040] 实施例2：[0041] 本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤4中的氢气流量为5L/min，喷涂距离为135m；步骤5中的热处理温度为800℃，热处理时间为3h。在步骤8中，喷涂态FeCoNiCrMn

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涂层的磨损率为3.21×10 mm/N·m，热处理后涂层磨损率为5.48×10 mm/N·m。

[0042] 实施例3：[0043] 本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤4中的氢气流量为4L/min，喷涂距离为145mm；步骤5中的热处理温度为750℃，热处理时间为2h。在步骤8中，喷涂态FeCoNiCrMn

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涂层的磨损率为4.18×10 mm/N·m，热处理后涂层磨损率为5.64×10 mm/N·m。

[0044] 实施例4：[0045] 本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤4中的氢气流量为3L/min，喷涂距离为120mm；步骤5中的热处理温度为800℃，热处理时间为3h。在步骤8中，喷涂态FeCoNiCrMn

?4 3 ?5 3

涂层的磨损率为5.31×10 mm/N·m，热处理后涂层磨损率为5.77×10 mm/N·m。