專利名稱：用于超音速噴涂的高熵合金粉末材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于超音速噴涂的合金粉末材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
高熵合金是在塊體非晶合金的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型合金體系，突破了傳統(tǒng)合金以一種或兩種元素為主要組元的設(shè)計理念，由不低于5種主要元素組成，其中每種元素都占有較高的百分比，沒有任何一種元素原子百分比超過50%，可視為原子尺度上的復(fù)合材料，充分發(fā)揮各組元協(xié)同作用的特點，使合金獲得高強(qiáng)度、高硬度、高耐蝕性、高耐熱性、特殊的電、磁學(xué)性質(zhì)等特性，具有廣泛的應(yīng)用前景。目前已采用機(jī)械合金化法制備了高熵合金粉末材料，但由于機(jī)械合金化法制備的粉末球形度不高，不適用于噴涂材料，而采用氣霧化快速凝固技術(shù)制備的可用于噴涂的高熵合金粉末材料尚未見報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高熵合金粉末材料及其制備方法，獲得相結(jié)構(gòu)簡單、組織成分均勻、流動性好、氧含量低、可用于超音速噴涂的的粉末材料。高熵合金粉末材料成分按等原子比或近等原子百分比組成，總百分比為100%。采用氣霧化快速凝固技術(shù)制備，在大于103K/s的冷卻速率條件下，提高合金固溶度，使組織均勻化。采用氣霧化快速凝固技術(shù)制備高熵合金粉末材料按以下步驟進(jìn)行一、 采用中頻感應(yīng)熔煉工藝制備高熵合金母合金，具體步驟如下I)先去除金屬原材料表面雜質(zhì)及氧化膜，再按等原子比或近等原子百分比稱量，總百分比為100% ；2)將稱量好的各金屬原材料按熔點由低到高的順序依次放入金剛砂坩堝中，然后抽真空至真空度低于2. 5X 10_3MPa ；3)充入氬氣，在氬氣壓為2X 10_2Pa條件下開始熔煉，熔煉電流為70 80A，熔煉時間為20 25min，熔煉過程中引入電磁攪拌，合金充分熔合后，將合金熔體澆鑄到鎂砂模殼中，得到成分均勻的高熵合金母合金；二、采用氣霧化設(shè)備制備高熵合金粉末材料，具體步驟如下I)將步驟一制備的高熵合金母合金用感應(yīng)線圈加熱至熔化，；2)通過環(huán)形噴嘴通入氮氣，氣流壓力為O. 3^0. 6MPa，氣流速度為28(T295m/s，即得到高熵合金粉末材料。上述6種主要元素混合后產(chǎn)生高熵效應(yīng)、晶格畸變、遲滯擴(kuò)散及元素性能的復(fù)合效應(yīng)促進(jìn)合金具有簡單的固溶體結(jié)構(gòu)，由于存在固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化機(jī)制，使合金具有較高的強(qiáng)度和硬度。氣霧化工藝具有較高冷卻速率，抑制原子擴(kuò)散及再分配，減少成分偏析，提高合金固溶度，使得合金組織及成分更均勻。采用高純氮氣作為霧化介質(zhì)，避免了霧化過程中金屬液的氧化，制得的高熵合金粉末材料更純凈，同時避免了環(huán)境污染，且可通過調(diào)整氮氣壓力和流速，來控制粉末粒度，提高粉末收得率。本發(fā)明進(jìn)一步優(yōu)化了合金組織和性能，可獲得不同粒度分布的粉末材料，充分發(fā)揮高熵合金材料的潛能，拓寬高熵合金的應(yīng)用范圍，可利用超音速噴涂技術(shù)在鎂、鋁合金基體上制備出結(jié)合強(qiáng)度高、孔隙率低、含氧量低的防護(hù)涂層，涂層耐中性鹽霧腐蝕性能較基體提高2 3倍，硬度可達(dá)HV60(T75()，耐磨性能較基體提高2倍以上。


附圖1為本發(fā)明工藝流程圖附圖2為實施例一的高熵合金粉末材料SEM圖附圖3為實施例一的高熵合金粉末材料X射線衍射圖譜附圖4為實施例二的高熵合金粉末材料SEM圖附圖5為實施例一的高熵合金涂層截面SEM圖
具體實施例方式本發(fā)明通過如下措施來實現(xiàn)實施例一I)將去除雜質(zhì)及氧化膜的金屬原材料按近等原子百分比稱量，總百分比為100%，其中 Al 為 18. 1%、Fe 為 16. 7%、Co 為 16. 4%、Ni 為 16. 2%、Cr 為 17. 2%、Mo 為 15. 4%,按熔點由低到高的順序依次放入金剛砂坩堝中，然后抽真空至真空度低于2. 5 X 10_3MPa，充入氬氣，在氬氣壓為2X10_2Pa條件下開始熔煉，熔煉電流為80A，熔煉時間為20min，引入電磁攪拌以減少合金成分偏析。熔煉完成后，將合金溶液澆鑄到鎂砂模殼中，得到成分均勻的高熵合金母合金。2)將高熵合金母合金用霧化設(shè)備中的感應(yīng)線圈加熱至熔化，并形成直徑為5mm的金屬液流，同時通過環(huán)形噴嘴通入氮氣，氣流壓力為O. 6MPa，氣流速度為295m/s，高速氣流沖擊金屬液流，破壞金屬原子間的結(jié)合力，即得到高熵合金粉末材料，圖2和圖3分別為高熵合金粉末材料SEM圖和X射線衍射圖譜。3)采用超音速噴涂技術(shù)，以實施例一中的高熵合金粉末為噴涂材料，在經(jīng)過噴砂處理的ZM5鎂合金基體上制備涂層，涂層與基體結(jié)合良好，附圖5為涂層截面SEM圖。涂層的顯微硬度為HV620，通過鹽霧腐蝕和摩擦磨損試驗表明，涂層耐腐蝕性能較基體提高2倍，耐磨損性能較基體提高2倍，可為基體提供充足防護(hù)。實施例二 I)將去除雜質(zhì)及氧化膜的金屬原材料按等原子百分比稱量，總百分比為100%，其中 Al 為 16. 7%、Fe 為 16. 7%、Co 為 16. 7%, Ni 為 16. 7%, Cr 為 16. 6%、Mo 為 16. 6%，按熔點由低到高的順序依次放入金剛砂坩堝中，然后抽真空至真空度低于2. 5X 10_3MPa，充入氬氣，在氬氣壓為2X10_2Pa條件下開始熔煉，熔煉電流為76A，熔煉時間為20min，引入電磁攪拌以減少合金成分偏析。熔煉完成后，將合金溶液澆鑄到鎂砂模殼中，得到成分均勻的高熵合金母合金。2)將高熵合金母合金用霧化設(shè)備中的感應(yīng)線圈加熱至熔化，并形成直徑為6mm的金屬液流，同時通過環(huán)形噴嘴通入氮氣，氣流壓力為O. 55MPa，氣流速度為290m/s，高速氣流沖擊金屬液流，使熔體粉碎成液滴，經(jīng)冷凝作用形成高熵合金粉末材料，圖4為粉末SEM圖。3)采用超音速噴涂技術(shù)，以實施例二中的高熵合金粉末為噴涂材料，在經(jīng)過噴砂處理的ZM5鎂合金基體上制備涂層，涂層與基體結(jié)合良好。涂層的顯微硬度為HV650，通過鹽霧腐蝕和摩擦磨損試驗表明，涂層耐腐蝕性能較基體提高2倍，耐磨損性能較基體提高2倍，可為基體提供充足防護(hù)。實施例三I)去除金屬原材料表面雜質(zhì)及氧化膜，按原子百分比Al 10%, Fe :18%、Co :18%、Ni 18%, Cr 18%, Mo : 18%稱量，總百分比為100%，按熔點由低到高的順序依次放入金剛砂坩堝中，然后抽真空至真空度低于2. 5 X IO-3MPa,充入氬氣，在氬氣壓為2 X 10_2Pa條件下開始熔煉，熔煉電流為78A，熔煉時間為22min，引入電磁攪拌以減少合金成分偏析。熔煉完成后，將合金溶液澆鑄到鎂砂模殼中，得到成分均勻的高熵合金母合金。2)將高熵合金母合金用霧化設(shè)備中的感應(yīng)線圈加熱至熔化，并形成直徑為6mm的金屬液流，同時通過環(huán)形噴嘴通入氮氣，氣流壓力為O. 55MPa，氣流速度為290m/s，高速氣流沖擊金屬液流，使熔體粉碎成液滴，經(jīng)冷凝作用形成高熵合金粉末材料。3)采用超音速噴涂技術(shù)，以實施例三中的高熵合金粉末為噴涂材料，在經(jīng)過噴砂處理的ZM5鎂合金基體上制備涂層，涂層與基體結(jié)合良好。涂層的顯微硬度為HV750，通過鹽霧腐蝕和摩擦磨損試驗表明，涂層耐腐蝕性能較基體提高3倍，耐磨損性能較基體提高2倍，可為基體提供充足防護(hù)。實施例四I)去除金屬原材料表面雜質(zhì)及氧化膜，按原子百分比Al 12%, Fe為18%、Co為18%、Ni為18%、Cr為1 7%、Mo為17%稱量，總百分比為100%,按熔點由低到高的順序依次放入金剛砂坩堝中，然后抽真空至真空度低于2. 5X l(T3MPa，充入氬氣，在氬氣壓為2 X 10 條件下開始熔煉，熔煉電流為78A，熔煉時間為22min，引入電磁攪拌以減少合金成分偏析。熔煉完成后，將合金溶液澆鑄到鎂砂模殼中，得到成分均勻的高熵合金母合金。2)將高熵合金母合金用霧化設(shè)備中的感應(yīng)線圈加熱至熔化，并形成直徑為6mm的金屬液流，同時通過環(huán)形噴嘴通入氮氣，氣流壓力為O. 55MPa，氣流速度為290m/s，高速氣流沖擊金屬液流，使熔體粉碎成液滴，經(jīng)冷凝作用形成高熵合金粉末材料。3)采用超音速噴涂技術(shù)，以實施例四中的高熵合金粉末為噴涂材料，在經(jīng)過噴砂處理的ZM5鎂合金基體上制備涂層，涂層與基體結(jié)合良好。涂層的顯微硬度為HV700，通過鹽霧腐蝕和摩擦磨損試驗表明，涂層耐腐蝕性能較基體提高2倍，耐磨損性能較基體提高2倍，可為基體提供充足防護(hù)。實施例五I)去除金屬原材料表面雜質(zhì)及氧化膜，按原子百分比Al :14%、Fe :17%、Co為17%、Ni為17%、Cr為16%、Mo為15%稱量，總百分比為100%，按熔點由低到高的順序依次放入金剛砂坩堝中，然后抽真空至真空度低于2. 5 X 10_3MPa，充入氬氣，在氬氣壓為2 X 10_2Pa條件下開始熔煉，熔煉電流為76A，熔煉時間為20min，引入電磁攪拌以減少合金成分偏析。熔煉完成后，將合金溶液澆鑄到鎂砂模殼中，得到成分均勻的高熵合金母合金。2)將高熵合金母合金用霧化設(shè)備中的感應(yīng)線圈加熱至熔化，并形成直徑為6mm的金屬液流，同時通過環(huán)形噴嘴通入氮氣，氣流壓力為O. 5MPa，氣流速度為288m/s，高速氣流沖擊金屬液流，使熔體粉碎成液滴，經(jīng)冷凝作用形成高熵合金粉末材料。3)采用超音速噴涂技術(shù)，以實施例五中的高熵合金粉末為噴涂材料，在經(jīng)過噴砂處理的ZM5鎂合金基體上制備涂層，涂層與基體結(jié)合良好。涂層的顯微硬度為HV660，通過鹽霧腐蝕和摩擦磨損試驗表明，涂層耐腐蝕性能較基體提高2倍，耐磨損性能較基體提高2倍，可為基體提供充足防護(hù)。實施例六I)去除金屬原材料表面雜質(zhì)及氧化膜，按原子百分比Al 20%, Fe :16%、Co :16%、Ni 16%, Cr 16%, Mo : 16%稱量，總百分比為100%，按熔點由低到高的順序依次放入金剛砂坩堝中，然后抽真空至真空度低于2. 5 X IO-3MPa,充入氬氣，在氬氣壓為2 X 10_2Pa條件下開始熔煉，熔煉電流為70A，熔煉時間為25min，引入電磁攪拌以減少合金成分偏析。熔煉完成后，將合金溶液澆鑄到鎂砂模殼中，得到成分均勻的高熵合金母合金。2)將高熵合金母合金用霧化設(shè)備中的感應(yīng)線圈加熱至熔化，并形成直徑為5mm的金屬液流，同時通過環(huán)形噴嘴通入氮氣，氣流壓力為O. 3MPa，氣流速度為280m/s，高速氣流沖擊金屬液流，使熔體粉碎成液滴，經(jīng)冷凝作用形成高熵合金粉末材料。3)采用超音速噴涂技術(shù)，以實施例六中的高熵合金粉末為噴涂材料，在經(jīng)過噴砂處理的ZM5鎂合金基體上制備涂層，涂層與基體結(jié)合良好。涂層的顯微硬度為HV650，通過鹽霧腐蝕和摩擦磨損試驗表明，涂層耐腐蝕性能較基體提高2倍，耐磨損性能較基體提高2倍，可為基體提供充足防護(hù)。
權(quán)利要求
1.一種用于超音速噴涂的高熵合金粉末材料，其特征在于高熵合金粉末材料成分按原子百分比組成如下Al : 10-20%、Fe : 15-20%、Co : 15-20%、N1: 15-20%、Cr : 15-20%、Mo: 15-20%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高熵合金粉末材料，其特征在于制備高熵合金粉末的各元素原材料純度均大于99. 9%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高熵合金粉末材料的制備方法，其特征在于高熵合金粉末材料采用氣霧化快速凝固工藝制備。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高熵合金粉末材料的制備方法，其特征在于采用氣霧化快速凝固技術(shù)工藝制備高熵合金粉末材料按以下步驟進(jìn)行 一、采用中頻感應(yīng)熔煉工藝制備高熵合金母合金，具體步驟如下 1)先將各金屬原材料雜質(zhì)及氧化膜去除，再按原子百分比稱量，總百分比為100%，其中Al 為 10-20%、Fe 為 15-20%、Co 為 15-20%、Ni 為 15-20%、Cr 為 15-20%、Mo 為 15-20% ； 2)將稱量好的各金屬原材料按熔點由低到高的順序依次放入金剛砂坩堝中，然后抽真空至真空度低于2. 5 X 10_3MPa ； 3)充入氬氣，在氬氣壓為2X10_2Pa條件下開始熔煉，熔煉電流為70 80A，熔煉時間為20 25min，輔以電磁攪拌減少合金成分偏析，完全熔合后澆鑄到鎂砂模殼中，得到成分均勻的高熵合金母合金； 二、采用氣霧化設(shè)備制備高熵合金粉末材料，具體步驟如下 1)將步驟一制備的高熵合金母合金用霧化設(shè)備中的感應(yīng)線圈加熱至熔化，并形成直徑為5飛_的金屬液流； 2)通過環(huán)形噴嘴通入氮氣，氣流壓力為O.3^0. 6MPa，氣流速度為28(T295m/s，即得到高熵合金粉末材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述制備方法得到的高熵合金粉末材料的應(yīng)用，其特征在于用于超音速噴涂工藝制備高熵合金涂層或性能更優(yōu)異的塊體高熵合金材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可用于超音速噴涂的高熵合金粉末材料及其制備方法。提供一種高熵合金粉末材料及其制備方法，獲得可用于超音速噴涂的高熵合金粉末材料，其特征是高熵合金粉末材料各組分按原子百分比組成為Al10-20%、Fe15-20%、Co15-20%、Ni15-20%、Cr15-20%、Mo: 15-20%，總百分比為100%。高熵合金粉末材料采用氣霧化快速凝固工藝制備。本發(fā)明中高熵合金粉末顆粒呈球形或橢球形，相結(jié)構(gòu)由具有簡單面心立方或體心立方結(jié)構(gòu)的固溶體相組成，成分和組織均勻，合金固溶度高，偏析少；高熵合金粉末材料制備方法粉末粒度可控、流動性好，氧含量低，環(huán)境污染小，可通過超音速噴涂工藝獲得綜合性能優(yōu)異的高熵合金涂層或性能更優(yōu)異的塊體高熵合金材料。
文檔編號B22F9/08GK103056352SQ20121051309
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月4日
發(fā)明者朱勝, 王曉明, 杜文博, 王啟偉, 姚巨坤, 殷鳳良, 曹勇, 韓國峰, 張曉 , 劉玉項, 李顯鵬 申請人:中國人民解放軍裝甲兵工程學(xué)院