[发明专利]一种等离子合金化制备氮化物增强高熵合金涂层的方法

说明书

本发明公开了一种等离子合金化制备氮化物增强高熵合金涂层的方法。在低碳钢表面采用等离子束在混有5%~10%氮气的氩气保护下加热合金化由一定比例的Ni‑Cr‑B‑Si、Cu、Ti、CeO₂组成的混合粉，其中混合气作保护气和离子气。在合金化过程中，混合气中的氮被电离活化后与熔池中的Cr、Ti反应形成氮化物，该氮化物细小、弥散，而且添加的CeO₂能阻止晶粒长大，从而使晶粒细化，提高涂层的强韧性，此外，由于高熵合金的迟滞效应，初生的Cr₇C₃晶粒细小，并且在合金化过程中低碳钢表面少量熔化的铁会进入高熵合金涂层中，最后在低碳钢基体表面形成了由CrN、TiN、Cr₇C₃增强的CrCuFeNiTi高熵合金涂层。

技术领域

本发明属于高能束表面处理领域，特别涉及采用等离子合金化制备耐磨复合涂层的方法。

背景技术

低碳钢的含碳量较低，具有较低的强度和硬度，冷成形性能良好，同时具有较好的塑性和韧性，并且具有良好的焊接性，在制造业的领域中获得了广泛的应用。但由于低碳钢表面的硬度较低，耐磨性较差，使得它在实际应用中受到了一些限制，通过改善其表面性能可以获得较好的硬度和耐磨性。高熵合金是由五个以上的组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强化的固溶体，相对于传统合金具备一些优异性能，如高硬度、高韧性、高耐磨耐腐蚀性、高强度等，特别适合于制备涂层。另外，CrN（1750HV）、TiN（2300 HV）等氮化物具有极高的硬度和惰性，这些氮化物弥散分布在高熵合金涂层上，有利于增强高熵合金涂层的硬度和耐磨性。采用等离子合金化是将合金粉末涂覆到低碳钢基体表面，利用等离子束加热使合金粉末和低碳钢基体表面同时熔化，低碳钢基体表面少量熔化的铁与熔化的合金粉末实现熔融合金化，形成含有铁元素的高熵合金涂层。等离子合金化设备简单，所需的粉末量少，能够节约成本。在合金化过程中，混合气中的氮被电离活化后与熔池中的Cr、Ti反应形成CrN、TiN，该氮化物以及合金化过程中原先的增强相Cr₇C₃都能够进一步提高涂层的硬度和耐磨性。另外，合金化粉末中添加的CeO₂能在结晶前沿产生富集，阻止晶粒长大，从而使更加晶粒细化，进一步提高涂层的强韧性。

发明内容

本发明在等离子合金化过程中，低碳钢基体表面少量熔化的铁会溶入高熵合金涂层，充当高熵合金中一种组元的作用，并且改变过去采用单纯的氩气作保护气和电离气，在氩气中添加适量的氮气作工作气体，混合气中的氮被电离活化后与熔池中的Cr、Ti反应形成细小、弥散的氮化物，而且由于高熵合金的迟滞作用初生的Cr₇C₃晶粒细小，最后氮化物和Cr₇C₃弥散分布在高熵合金涂层上，能够进一步提高涂层的硬度和耐磨性。另外，在合金化过程中添加的CeO₂能在熔池的结晶前沿产生富集，阻止晶粒长大，从而使晶粒更加细化，进一步提高涂层的强韧性。

本发明所采用的制作方法包括下述工艺步骤：

步骤一、选取要表面合金化的低碳钢表面作为基体，对其表面进行预处理，用砂轮或砂纸打磨低碳钢表面进行除锈，用酒精或丙酮去除基体表面的油污。

步骤二、将Ni-Cr-B-Si、Cu、Ti、CeO₂按一定比例组成混合粉，并用球磨机进行球磨混合，所用粉末粒径为30~240 μm，其中Ni-Cr-B-Si成分的质量百分比为Cr:15~18，B:2.5~4.5，Si:3~4.5，C:0.6~1，其余为Ni；Cu粉、CeO₂粉的纯度均高于99.5%；Ti粉纯度高于99%；混合粉Ni-Cr-B-Si、Cu、Ti、CeO₂的质量百分比为：48~52:25~30:14~20:2~5。然后采用钢制球磨罐进行球磨混合，其中的磨球与金属粉质量比为2.8~3.4:1，密封后打开真空阀抽真空30~40分钟，将球磨罐放入行星式球磨机，转速为280~300 r/min，倒向频率40~50 Hz，进行球磨混料时间为60~80分钟。