[发明专利]一种耐强酸冲蚀的高熵合金涂层材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种耐强酸冲蚀的高熵合金涂层材料的制备方法，选用高纯度Fe、Co、Ni、Cr、Al、Mo金属粉末配制，球磨后过筛，将样品放置于真空干燥箱中保存；904L不锈钢常作用为磷酸生产过程中磷酸搅拌器的叶片材料，采用预铺粉末法，激光熔覆前先在基材表面预铺一层厚1.5mm的粉末，并用不锈钢片压实。激光熔覆过程中通过氩气保护，氩气纯度为99.99%，气流密度为25 L·min^‑1。本发明的方法可以在904L不锈钢表面制备耐强酸冲刷腐蚀的高熵合金涂层，为我国磷化工产业提供耐强酸冲刷腐蚀的表面涂层配方及涂层制备技术。

技术领域

本发明涉及一种耐强酸冲蚀的高熵合金涂层成分设计及制备方法，采用激光熔覆方法制备，属于新材料研发及涂层技术领域。

背景技术

贵州磷矿资源丰富，瓮福集团作为贵州磷矿支柱产业之一，其磷酸生产能力已达到1000吨有效P₂O₅/天，产品主要为浓度48~52%的磷酸，副产品为18~20%的氟硅酸(H₂SiF₆)1.1万吨/年，排放废渣二水石膏(CaSO₄·2H₂O) 145万吨/年。目前瓮福集团生产磷酸以湿法为主，湿法磷酸生产装置由于其生产工艺的特殊性，在生产过程中，各种工况介质均涉及硫酸、磷酸、氢氟酸及氯离子等多种腐蚀性组分，且温度较高，酸度大，故对材料的腐蚀很强。设备在承受腐蚀作用的同时，还要承受腐蚀介质中大量固相颗粒（二氧化硅、磷石膏等）的磨损作用。腐蚀与磨损的迭加和相互作用，造成材料快速破坏失效。由于服役条件苛刻，磷化工设备的许多零部件使用寿命较短，尤其是搅拌桨叶片、石膏再浆泵、料浆过流部件、料浆泵等。

在磷酸反应制备过程中，904L不锈钢搅拌桨被用来对反应槽内部进行搅拌，加速槽内液体流动及反应的快速进行。在此种强酸环境下，搅拌桨叶片与磷矿石之间发生强烈碰撞。然而，904L不锈钢为单一的立方结构，硬度较低（~190HV），不能满足强酸冲蚀的服役要求。仅我省瓮福磷矿一家企业在正常情况下每根搅拌桨轴的使用寿命为7-9个月，此外，开磷集团、湖北宜化、兴发集团等企业的叶片腐蚀、磨损严重，缩短了搅拌叶片和轴的使用寿命，造成每年修复成本费用极高，在1亿元以上，这已成为广大磷化工企业面临的共性问题。

高熵合金因其独特的成分及组织结构而具有优异的性能，与传统合金设计理念不同，高熵合金通过合理地成分设计，加上适当的制备手段，达到兼具耐磨性和耐蚀性，因此在搅拌浆叶片表面制备一层专用的耐磨耐蚀的高熵合金材料，有望延长搅拌浆叶片的服役寿命，降低生产成本。但是高熵合金成分复杂、组织多变，需要在理论指导下实施精确的成分设计。近年来大连理工大学董闯教授提出利用团簇加连接原子模型来设计合金成分。该模型是将理想结构单元分为团簇和连接原子两个部分。其中，团簇是由中心原子及其最近邻壳层原子组成，而连接原子则是处于中心原子的次近邻位置。溶剂与溶质原子在模型中的占位由各元素之间的混合焓ΔH_mix决定。通常，溶剂原子占据团簇的壳层位置，溶质与溶剂原子之间ΔH_mix越负，则溶质原子占据团簇中心位置。反之，溶质原子占据连接原子位置。如图一所示，FCC结构固溶体的团簇加连接原子模型中，中心原子周围最近邻原子的配位数是12，连接原子个数一般为1-6，因此可表示为[A-B₁₂]C_1-6，其中A为中心原子，B为壳层原子，C为连接原子。该模型的特点是从短程序的角度解释了理想固溶体模型，准确描述合金固溶体的理想结构单元以及溶剂与溶质原子的点阵占位情况，进而对固溶体成分进行优化，可有效取代传统“炒菜式”的合金成分设计，大大节约时间和人力成本。他们的研究工作给我们的启发是如果利用团簇加连接原子模型对CoCrFeNi-M合金体系成分进行优化设计，则可能设计出满足极端条件下服役的高耐磨耐蚀的高熵合金材料。但由于宽带激光熔覆具有超快速加热和超快速冷却的特点，如果涂层与基材的适配性差，将会导致熔覆过程中裂纹产生。

发明内容