一種鑄件表面高熵合金涂層的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種鑄件表面高熵合金涂層的制備方法，包括如下步驟：S1、預(yù)制體的制備：將粘接劑加入高熵合金涂層原料粉末中，混合形成糊狀，然后壓制成圓柱狀預(yù)制體，再將預(yù)制體烘干；S2、造型：使用砂子制作砂型型腔，待砂型固化后，在型腔壁零件特定部位開鑿凹槽，把S1中的預(yù)制體放置在凹槽中；S3、澆注：在常溫常壓下將熔融態(tài)的金屬液澆入到型腔內(nèi)，預(yù)制體在金屬液的熱量作用下發(fā)生溶解擴散，凝固后在鑄件表面形成高熵合金涂層。在步驟S3之后，對高熵合金涂層再進行后續(xù)熱處理。本發(fā)明制備出的高熵合金涂層致密度良好，和基體的冶金結(jié)合度較好，所需設(shè)備簡單、操作方便、生產(chǎn)成本低。
【專利說明】
一種鑄件表面高熵合金涂層的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于環(huán)境保護技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鑄件表面高熵合金涂層的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]磨損是造成機械零件失效的主要原因之一，對機械零件的使用壽命和可靠性產(chǎn)生極大影響，會造成大量的經(jīng)濟損失同時也阻礙了工業(yè)的發(fā)展。隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，國民經(jīng)濟各部門對機械設(shè)備性能要求的不斷提高，研發(fā)出性能更好的耐磨材料并降低生產(chǎn)成本，簡化工序仍為材料工作者們所需解決的重要問題。
[0003]高熵合金由5至13種合金元素組成且每種元素含量的原子百分比為5%?35%。多種元素的存在使其原子排列傾向于混亂，借助其特有的高熵效應(yīng)、緩慢擴散效應(yīng)等，可使高熵合金形成簡單的組織結(jié)構(gòu)并獲得高硬度、高強度、耐腐蝕、耐高溫氧化等綜合性能。由于高熵合金含有較多的貴重金屬，成本較高，因此將具有較高硬度和耐磨性的高熵合金與材料表面改性技術(shù)相結(jié)合，可以有效降低成本并擴大高熵合金的應(yīng)用。
[0004]目前，高熵合金涂層的制備方法主要有激光熔覆、磁控濺射、等離子熔覆等。激光熔覆技術(shù)即把高熵合金粉末平鋪在基材表面，利用激光的高溫進行融化，待快速冷卻后，即可形成一層高熵合金涂層。中國專利文獻CN201310300255.5的專利申請公開了用于制備高熵合金涂層的合金粉末及其制備方法和應(yīng)用，但其沒有注意到激光熔覆過程中可能會產(chǎn)生元素?zé)龤У那闆r，最后很難形成真正意義上的高熵合金涂層且激光熔覆需要大型激光器，這就加大了生產(chǎn)成本。磁控濺射技術(shù)雖然可以較好的控制合金涂層成分，但是對基體與靶材的要求較高，難以實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。等離子熔覆同樣把高熵合金粉末涂覆在基材表面，利用等離子束使其融化，經(jīng)過快速冷卻得到高熵合金涂層，但是該工藝過程比較復(fù)雜，且可能由于輸入熱量過大，導(dǎo)致得到的高熵合金涂層容易產(chǎn)生裂紋、硬度較低且組織分布不均勻等缺陷，同時等離子設(shè)備昂貴，大大增加了生產(chǎn)成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供了一種所需設(shè)備簡單、操作方便、生產(chǎn)成本低、涂層和基材結(jié)合牢固的在鑄件表面制備高熵合金涂層的方法。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案:
[0007]—種鑄件表面高熵合金涂層的制備方法，包括如下步驟:
[0008]S1、預(yù)制體的制備:將粘接劑加入高熵合金涂層原料粉末中，混合形成糊狀，然后壓制成圓柱狀預(yù)制體，再將預(yù)制體烘干；
[0009]S2、造型:制作砂型型腔，待砂型固化后，在型腔壁零件特定部位開鑿凹槽，把SI中的預(yù)制體放置在凹槽中；
[0010]S3、澆注:在常溫常壓下將熔融態(tài)的金屬液澆入到型腔內(nèi)，預(yù)制體在金屬液的熱量作用下發(fā)生溶解擴散，凝固后在鑄件表面形成高熵合金涂層。
[0011]優(yōu)選的，步驟SI中粘接劑選用聚乙烯醇水溶液或酒精。
[0012]進一步的，，步驟SI中粘接劑選用聚乙烯醇水溶液時，其溶質(zhì)含量為4?8wt%。
[0013]進一步的，步驟SI中，高熵合金涂層原料粉末的粒徑為50?200目；采用油壓式壓片機在20?40MPa壓力下將糊狀物壓制成厚3?5mm、直徑為10?30mm的圓柱狀預(yù)制體，且壓制成的圓柱狀預(yù)制體放置在溫度為60?120 °C真空干燥箱烘干I?4h。
[0014]進一步的，步驟S2中，將呋喃樹脂砂、樹脂油和固化劑依次混合后制作“T”型砂型型腔;其中，樹脂油占砂重的2 %、固化劑占砂重的I %。
[0015]進一步的，所述凹槽在“T”型砂型型腔的兩側(cè)開為對稱的多個;所述凹槽設(shè)為或圓柱體，相應(yīng)的，凹槽的寬度或直徑大小與預(yù)制體的直徑大小相當(dāng)，厚度大于預(yù)制體的厚度。
[0016]進一步的，所述凹槽在“T”型砂型型腔的兩側(cè)開為對稱的2個，所述凹槽的厚度為6?8mm ο
[0017]優(yōu)選的，在步驟S3之后，鑄件表面形成的高熵合金涂層再進行后續(xù)熱處理:S3得到的高熵合金涂層首先在650°C預(yù)熱2h，然后升溫至1000°C保溫2h，空冷至室溫后260 °C回火保溫2h。
[0018]本發(fā)明還提供了一種用于上述鑄件表面高熵合金涂層制備方法中的高熵合金粉末，按原子百分比計，包括Al ,Cr,Fe,Co,Ni,Ti, Cu或者Mn元素中任意多種的組合，且各原子百分比含量均在5?25%;各組分的純度均為99%以上。
[0019]上述高熵合金粉末的制備方法為:所述的高熵合金粉末原料經(jīng)過球磨混合6?48h后，然后再置于60?120 0C的干燥箱中干燥2?6h，即得。
[0020]本發(fā)明的有益效果在于:
[0021 ] I )、本發(fā)明制備出的高熵合金涂層致密度良好，和基體的冶金結(jié)合度較好，無需考慮基材與靶材的限制要求;并且制備的高熵合金涂層組織均勻，避免了裂紋的出現(xiàn)，克服了利用等離子熔覆及磁控濺射制備方法容易產(chǎn)生缺陷的問題，使高熵合金具有的高硬度、耐磨性能夠得到充分的發(fā)揮。
[0022]2)、本發(fā)明金屬液澆注溫度相對容易可控，避免了在激光熔覆過程中由于瞬間溫度過高導(dǎo)致高熵合金中某元素?zé)龘p從而對綜合性能造成較大的影響，進一步保證了本發(fā)明制備方法的可靠性。
[0023]3)、本發(fā)明制備方法中所需用到的生產(chǎn)設(shè)備簡單，操作可控性強，成本低廉，可進行快速大量工業(yè)化生產(chǎn)，具有較大的工業(yè)化應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明的方法流程圖。
[0025]圖2為本發(fā)明高鉻鑄鐵與高熵合金復(fù)合合金層的微觀組織圖。
【具體實施方式】
[0026]下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護范圍。
[0027]實施例
[0028]S1、預(yù)制體的制備:將濃度為4?8wt %的聚乙烯醇水溶液作為粘接劑加入粒徑為50?200目的經(jīng)過球磨機混合高熵合金涂層粉末原料AlCrFeC0NiT1.5(該分子式含義為:
0.5代表組分中11的原子相對比例41、0小6、(:0、祖的原子相對比例均為1，也即41、0小6、Co、Ni的原子百分比均為18.18%，Ti的原子百分比為9%)混合形成糊狀，然后用油壓式壓片機在20?40MPa壓力下將其壓制成4?5mm厚，直徑20mm的圓柱狀預(yù)制體，再將預(yù)制體放置在溫度為60?120°C真空干燥箱干燥I?3h;
[0029]S2、造型:使用市售的呋喃樹脂砂和樹脂油、固化劑混合后制作“T”型砂型型腔，其中，樹脂油占砂重的2%，固化劑占砂重的1%，二者不可直接混合;待砂型固化后，在“T”型型腔壁兩側(cè)對稱開鑿2個凹槽，把2個SI中的預(yù)制體分別放置在凹槽中；
[0030]S3、澆注:在常溫常壓下將1650°C的熔融態(tài)的高鉻鑄鐵金屬液澆入到鑄型內(nèi)，預(yù)制體在金屬液的熱量作用下發(fā)生溶解擴散，凝固后在高鉻鑄件表面形成高熵合金涂層;也即，該步驟中表面涂層是通過預(yù)置高熵合金粉末預(yù)制體，經(jīng)液態(tài)金屬澆注并凝固后形成在鑄件特定部位的表面，具體的流程圖如圖1所示。
[0031]另外，對表面已生成合金層的高鉻鑄鐵可進行后續(xù)熱處理:首先650°C預(yù)熱2h，防止鑄件在加熱過程中開裂并減少殘余奧氏體，然后升溫至1000°c保溫2h，空冷至室溫后260°(:回火保溫2h。
[0032]其中，高熵合金涂層粉末原料不限于上述的一種，按原子百分比計，包括Al，Cr，F(xiàn)e，Co，Ni，Ti，Cu或者Mn元素中任意多種的組合，且保證各原子百分比含量均在5?25%即可;其中各組分的純度均為工業(yè)純或者99 %以上。將上述原料經(jīng)過球磨混合6?48h后，然后再置于60?120 0C的干燥箱中干燥2?6h，即得高熵合金粉末。
[0033]對上述實施例進行表征試驗
[0034]經(jīng)過熱處理后，對最終制得的高熵合金涂層進行顯微硬度測試及金相組織觀察。
[0035]顯微硬度測試結(jié)果顯示基體的硬度為691HV，高熵合金涂層的硬度為882HV。金相組織觀察如圖2所示，顯示高熵合金涂層致密性好，涂層與基體冶金結(jié)合性良好，組織均勻，無裂紋的產(chǎn)生，涂層的硬度高于基體?？朔死玫入x子熔覆及磁控濺射制備方法容易產(chǎn)生缺陷的問題，使高熵合金具有的高硬度、耐磨性能夠得到充分的發(fā)揮。
[0036]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種鑄件表面高熵合金涂層的制備方法，其特征在于包括如下步驟: 51、預(yù)制體的制備:將粘接劑加入高熵合金涂層原料粉末中，混合形成糊狀，然后壓制成圓柱狀預(yù)制體，再將預(yù)制體烘干； 52、造型:制作砂型型腔，待砂型固化后，在型腔壁零件特定部位開鑿凹槽，把SI中的預(yù)制體放置在凹槽中； 53、澆注:在常溫常壓下將熔融態(tài)的金屬液澆入到型腔內(nèi)，預(yù)制體在金屬液的熱量作用下發(fā)生溶解擴散，凝固后在鑄件表面形成高熵合金涂層。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鑄件表面高熵合金涂層的制備方法，其特征在于:步驟SI中粘接劑選用聚乙烯醇水溶液或酒精。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種鑄件表面高熵合金涂層的制備方法，其特征在于:步驟SI中粘接劑選用聚乙烯醇水溶液時，其溶質(zhì)含量為4?8wt%。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種鑄件表面高熵合金涂層的制備方法，其特征在于:步驟SI中，高熵合金涂層原料粉末的粒徑為50?200目；采用油壓式壓片機在20?40MPa壓力下將糊狀物壓制成厚3?5mm、直徑為1?30mm的圓柱狀預(yù)制體，且壓制成的圓柱狀預(yù)制體放置在溫度為60?120°C真空干燥箱烘干I?4h。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種鑄件表面高熵合金涂層的制備方法，其特征在于:步驟S2中，將呋喃樹脂砂、樹脂油和固化劑依次混合后制作“T”型砂型型腔;其中，樹脂油占砂重的2%、固化劑占砂重的1%。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種鑄件表面高熵合金涂層的制備方法，其特征在于:所述凹槽在“Τ”型砂型型腔的兩側(cè)開為對稱的多個;所述凹槽設(shè)為長方體或圓柱體，相應(yīng)的，凹槽的寬度或直徑大小與預(yù)制體的直徑大小相當(dāng)，厚度大于預(yù)制體的厚度。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種鑄件表面高熵合金涂層的制備方法，其特征在于:所述凹槽在“T”型砂型型腔的兩側(cè)開為對稱的2個，所述凹槽的厚度為6?8mm。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鑄件表面高熵合金涂層的制備方法，其特征在于在步驟S3之后，鑄件表面形成的高熵合金涂層再進行后續(xù)熱處理:S3得到的高熵合金涂層首先在650°C預(yù)熱2h，然后升溫至1000°C保溫2h，空冷至室溫后260°C回火保溫2h。9.一種用于權(quán)利要求1至8任一項所述鑄件表面高熵合金涂層制備方法中的高熵合金粉末，其特征在于:按原子百分比計，包括Al ,Cr ,Fe ,Co,Ni ,Ti ,Cu或者Mn元素中任意多種的組合，且各原子百分比含量均在5?25%;各組分的純度均為99%以上。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種高熵合金粉末的制備方法，其特征在于:所述的高熵合金粉末原料經(jīng)過球磨混合6?48h后，然后再置于60?120 0C的干燥箱中干燥2?6h，即得。
【文檔編號】C22C30/02GK106041031SQ201610613482
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月29日
【發(fā)明人】紀(jì)秀林, 鮑亞運
【申請人】河海大學(xué)常州校區(qū)