[發(fā)明專利]一種等離子合金化制備氮化物增強(qiáng)高熵合金涂層的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010132851.7
• 申請(qǐng)日: 2020-02-29
• 公開（公告）號(hào): CN111304646B
• 公開（公告）日: 2022-01-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐洪祥;盧金斌;馮杰;朱瑞雨;徐子維;殷振
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 蘇州科技大學(xué)
• 主分類號(hào): C23C24/10
• 分類號(hào): C23C24/10;B22F1/00;B22F9/04
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本發(fā)明公開了一種等離子合金化制備氮化物增強(qiáng)高熵合金涂層的方法。在低碳鋼表面采用等離子束在混有5%~10%氮?dú)獾臍鍤獗Ｗo(hù)下加熱合金化由一定比例的Ni?Cr?B?Si、Cu、Ti、CeO₂組成的混合粉，其中混合氣作保護(hù)氣和離子氣。在合金化過(guò)程中，混合氣中的氮被電離活化后與熔池中的Cr、Ti反應(yīng)形成氮化物，該氮化物細(xì)小、彌散，而且添加的CeO₂能阻止晶粒長(zhǎng)大，從而使晶粒細(xì)化，提高涂層的強(qiáng)韌性，此外，由于高熵合金的遲滯效應(yīng)，初生的Cr₇C₃晶粒細(xì)小，并且在合金化過(guò)程中低碳鋼表面少量熔化的鐵會(huì)進(jìn)入高熵合金涂層中，最后在低碳鋼基體表面形成了由CrN、TiN、Cr₇C₃增強(qiáng)的CrCuFeNiTi高熵合金涂層。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于高能束表面處理領(lǐng)域，特別涉及采用等離子合金化制備耐磨復(fù)合涂層的方法。

背景技術(shù)

低碳鋼的含碳量較低，具有較低的強(qiáng)度和硬度，冷成形性能良好，同時(shí)具有較好的塑性和韌性，并且具有良好的焊接性，在制造業(yè)的領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。但由于低碳鋼表面的硬度較低，耐磨性較差，使得它在實(shí)際應(yīng)用中受到了一些限制，通過(guò)改善其表面性能可以獲得較好的硬度和耐磨性。高熵合金是由五個(gè)以上的組元按照等原子比或接近于等原子比合金化的合金，高熵合金能形成固溶強(qiáng)化的固溶體，相對(duì)于傳統(tǒng)合金具備一些優(yōu)異性能，如高硬度、高韌性、高耐磨耐腐蝕性、高強(qiáng)度等，特別適合于制備涂層。另外，CrN（1750HV）、TiN（2300 HV）等氮化物具有極高的硬度和惰性，這些氮化物彌散分布在高熵合金涂層上，有利于增強(qiáng)高熵合金涂層的硬度和耐磨性。采用等離子合金化是將合金粉末涂覆到低碳鋼基體表面，利用等離子束加熱使合金粉末和低碳鋼基體表面同時(shí)熔化，低碳鋼基體表面少量熔化的鐵與熔化的合金粉末實(shí)現(xiàn)熔融合金化，形成含有鐵元素的高熵合金涂層。等離子合金化設(shè)備簡(jiǎn)單，所需的粉末量少，能夠節(jié)約成本。在合金化過(guò)程中，混合氣中的氮被電離活化后與熔池中的Cr、Ti反應(yīng)形成CrN、TiN，該氮化物以及合金化過(guò)程中原先的增強(qiáng)相Cr₇C₃都能夠進(jìn)一步提高涂層的硬度和耐磨性。另外，合金化粉末中添加的CeO₂能在結(jié)晶前沿產(chǎn)生富集，阻止晶粒長(zhǎng)大，從而使更加晶粒細(xì)化，進(jìn)一步提高涂層的強(qiáng)韌性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明在等離子合金化過(guò)程中，低碳鋼基體表面少量熔化的鐵會(huì)溶入高熵合金涂層，充當(dāng)高熵合金中一種組元的作用，并且改變過(guò)去采用單純的氬氣作保護(hù)氣和電離氣，在氬氣中添加適量的氮?dú)庾鞴ぷ鳉怏w，混合氣中的氮被電離活化后與熔池中的Cr、Ti反應(yīng)形成細(xì)小、彌散的氮化物，而且由于高熵合金的遲滯作用初生的Cr₇C₃晶粒細(xì)小，最后氮化物和Cr₇C₃彌散分布在高熵合金涂層上，能夠進(jìn)一步提高涂層的硬度和耐磨性。另外，在合金化過(guò)程中添加的CeO₂能在熔池的結(jié)晶前沿產(chǎn)生富集，阻止晶粒長(zhǎng)大，從而使晶粒更加細(xì)化，進(jìn)一步提高涂層的強(qiáng)韌性。

本發(fā)明所采用的制作方法包括下述工藝步驟：

步驟一、選取要表面合金化的低碳鋼表面作為基體，對(duì)其表面進(jìn)行預(yù)處理，用砂輪或砂紙打磨低碳鋼表面進(jìn)行除銹，用酒精或丙酮去除基體表面的油污。

步驟二、將Ni-Cr-B-Si、Cu、Ti、CeO₂按一定比例組成混合粉，并用球磨機(jī)進(jìn)行球磨混合，所用粉末粒徑為30~240 μm，其中Ni-Cr-B-Si成分的質(zhì)量百分比為Cr:15~18，B:2.5~4.5，Si:3~4.5，C:0.6~1，其余為Ni；Cu粉、CeO₂粉的純度均高于99.5%；Ti粉純度高于99%；混合粉Ni-Cr-B-Si、Cu、Ti、CeO₂的質(zhì)量百分比為：48~52:25~30:14~20:2~5。然后采用鋼制球磨罐進(jìn)行球磨混合，其中的磨球與金屬粉質(zhì)量比為2.8~3.4:1，密封后打開真空閥抽真空30~40分鐘，將球磨罐放入行星式球磨機(jī)，轉(zhuǎn)速為280~300 r/min，倒向頻率40~50 Hz，進(jìn)行球磨混料時(shí)間為60~80分鐘。