【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于先進金屬材料和表面防護，具體涉及一種超高硬度的抗空蝕高熵合金涂層及其制備方法。
技術介紹
1、空蝕是水動力環境中工作的螺旋槳或水輪機葉片等過流部件安全運行最常見的威脅?？瘴g對材料的破壞主要源于空泡潰滅產生的高壓沖擊波和高速微射流（空化載荷）對材料表面造成的機械破壞。因此，尋找高強度、高硬度的材料一直是空蝕防護領域的研究重點。由于空蝕是從部件表面開始，因此通過熱噴涂等先進表面工程技術把耐空蝕性能好的材料涂覆在過流部件表面無疑是一種較為經濟且實用的途徑。
2、以wc-cocr、cr3c2-nicr為代表的金屬陶瓷涂層（wear,?2016,?364-365,?201-210）因具有較高的硬度，能夠很好地抵抗空化載荷的沖擊，是最早在過流部件表面應用的表面防護涂層。但是這些涂層的實際使役壽命卻常常明顯短于其初始設計壽命，人們經過研究分析發現：盡管硬質wc、cr3c2相能夠抵抗空化載荷的沖擊，但是粘接相金屬co或nicr合金卻因硬度偏低被率先沖擊剝離，隨后缺乏粘接的wc或cr3c2顆粒也會在載荷的作用下快速剝離。此外，wc、cr3c2這些碳化物相因對高溫和氧氣極為敏感，在使用超音速火焰噴涂或大氣等離子噴涂等工業化技術制備涂層的過程中易于氧化分解，顯著破壞了涂層的韌性，因此這類涂層的空蝕防護能力距離人們的要求還有很大差距。
3、高熵合金由于其自身所具有的高熵效應、晶格畸變效應、遲滯擴散效應和雞尾酒效應，常展現出傳統金屬材料難以比擬的機械強度，且趨于形成簡單固溶體結構，因此成為新型空蝕防護涂層的研究熱點。
4、時至今日，人們依然沒有研發出一種硬度接近金屬陶瓷涂層且組織均一的高熵合金涂層，導致這類涂層目前獲得的實際應用依然有限。
技術實現思路
1、針對現有技術的不足，本專利技術提供一種超高硬度的高熵合金涂層及其制備方法，它不僅可以通過便于工業生產的真空感應氣霧化制粉技術和超音速火焰噴涂技術獲得單一面心立方結構（bcc）的球形噴涂粉末和高致密涂層，而且不需要任何后處理工藝就有極高的納米硬度（9.1~11.4?gpa）和顯微硬度（858~881?hv0.1），是目前國內公開報道的同種工藝制備的高熵合金涂層的最大值，甚至超過了cr3c2-nicr金屬陶瓷涂層（780±40?hv0.1）（tribology?letters,?2010,?37,?463-475），因此顯現出極佳的空蝕防護能力，作為水輪機、螺旋槳、止推軸承等過流部件表面的耐空蝕涂層的應用潛力巨大。
2、一、超高硬度高熵合金涂層的制備
3、一種超高硬度抗空蝕高熵合金涂層，按原子百分比計，該高熵合金涂層包括以下成分（at.%）:?al?20%~26%，cr?30%~34%，co?30%~34%，ni16%~22%。
4、制備方法如下：
5、（1）按照高熵合金涂層的原子百分比換算成質量百分比，配制含al、cr、co和ni的純金屬原料，同時清潔坩堝，然后將配制的原料放入感應加熱爐的坩堝中；
6、（2）抽真空，確保真空度≤1×10-1pa，通過感應線圈將原料加熱至1250~1750℃熔化并流入霧化區，使用高速高壓的惰性氣體將金屬液沖擊破碎，使其霧化成細微的金屬液滴，進而在霧化室內冷卻凝固為高熵合金粉末，經篩分獲得粒度范圍在15~70?μm適合超音速火焰噴涂技術使用的粉末；
7、（3）將金屬基材表面進行噴砂粗化處理并清洗，然后固定在噴涂臺上，設定好噴涂工藝參數后啟動超音速火焰噴涂設備，將步驟（2）獲得的粉末送進焰流中噴涂沉積在金屬基材表面即可得到超高硬度抗空蝕高熵合金涂層。
8、步驟（1）中al、cr、co和ni純金屬原料的純度均在99.9?wt.%以上。
9、步驟（2）中惰性氣體為氮氣、氬氣和氦氣中的任意一種，壓力為0.5~5?mpa，流量為900~1500?m3/h。
10、步驟（3）中金屬基材為銅合金、鈦合金、鋁合金、不銹鋼、鎳鋁青銅、錳鋁青銅、鋁青銅、l907a鋼、鑄鋼中的一種，噴砂處理后金屬基材表面的粗糙度ra≥1?μm。
11、步驟（3）中超音速火焰噴涂設備使用的燃氣為天然氣、丙烷或航空煤油，助燃氣為氧氣或空氣，載氣為氮氣、氬氣或氦氣。
12、步驟（3）中噴涂參數為氧氣流量50~56?m3/h，燃氣流量20~25?l/h，送粉器轉速20~25?rpm，噴槍移動速度200~1000?mm/s，噴涂距離25~40?cm，程間距1~4mm，壓縮空氣壓力100~120mpa，壓縮空氣流量18~22?m3/h。
13、步驟（3）中沉積的涂層厚度為100~800?μm，物相結構為單一bcc相。
14、二、高熵合金粉末的形貌和結構
15、圖1給出了本專利技術高熵合金粉末的sem圖?？梢钥闯龇勰┏尸F出較好的球形度，且表面光滑，說明使用本專利技術優化過的金屬元素配方體系，尤其是優化過的熔煉溫度和霧化氣體壓力及流速，非常適合通過真空感應氣霧化工業制粉技術生產球形高熵合金粉末，這對于提高粉末的流動性是極為有利的。另外，從圖中還可以看出，粉末的粒徑范圍主要分布在15~53μm，說明篩分后的高熵合金粉末正好處在最適合超音速火焰噴涂技術使用的粒徑范圍內。
16、圖2給出本專利技術高熵合金粉末的xrd圖譜。不難發現，粉末僅有bcc相的衍射峰，無任何其他雜峰，說明本專利技術優化的al、cr、co、ni的原子配比在霧化制粉過程中并沒有因四種元素之間的溶解度間隔和電負性差異而出現元素脫溶或異質形核，盡管al元素的含量明顯高于cn115418595b等已公開的高熵合金，但簡單固溶體相依然能夠保持穩定，獲得了物相結構明顯不同于以往的單一bcc相的新型高熵合金粉末材料。這對于充分利用al與其他三種元素之間的原子尺寸和電負性差異所帶來的強烈晶格畸變及濃度波動顯著增強高熵合金的力學強度和抵抗載荷沖擊的能力是極為有利的。
17、三、高熵合金涂層的組織結構
18、圖3給出了本專利技術高熵合金涂層的拋光截面的sem圖?？梢钥闯觯繉拥慕M織非常致密，在涂層內部幾乎觀察不到孔隙的存在，而且涂層與金屬基材界面之間的結合也極為緊密，沒有明顯缺陷，說明本專利技術優化的粉末喂料成分、形貌及粒度范圍尤其是超音速火焰噴涂工藝參數，非常適合制備高度結合和致密的高熵合金涂層，利于其在各種金屬零部件表面涂覆使用。
19、圖4給出了本專利技術高熵合金涂層的xrd圖譜本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種超高硬度抗空蝕高熵合金涂層的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的超高硬度抗空蝕高熵合金涂層的制備方法，其特征在于：步驟（1）中的Al、Cr、Co和Ni的純金屬原料的純度均在99.9?wt.%以上。
3.如權利要求1所述的一種超高硬度抗空蝕高熵合金涂層的制備方法，其特征在于：步驟（2）中惰性氣體為氮氣、氬氣和氦氣中的任意一種，惰性氣體的壓力為0.5~5?MPa，惰性氣體的流量為900~1500?m3/h。
4.如權利要求1所述的一種超高硬度抗空蝕高熵合金涂層的制備方法，其特征在于：步驟（3）中金屬基材為銅合金、鈦合金、鋁合金、不銹鋼、鎳鋁青銅、錳鋁青銅、鋁青銅、L907A鋼、鑄鋼中的一種，噴砂處理后金屬基材表面的粗糙度Ra≥1μm。
5.如權利要求1所述的一種超高硬度抗空蝕高熵合金涂層的制備方法，其特征在于：步驟（3）中超音速火焰噴涂設備使用的燃氣為天然氣、丙烷或航空煤油，助燃氣為氧氣或空氣，載氣為氮氣、氬氣或氦氣。
6.如權利要求1所述的一種超高硬度抗空蝕高熵合金涂層的制備方法，其特征在
7.如權利要求1所述的一種超高硬度抗空蝕高熵合金涂層的制備方法，其特征在于：步驟（3）中沉積的超高硬度抗空蝕高熵合金涂層厚度為100~800?μm，涂層物相結構為單一BCC相。
8.一種如權利要求1-7任一項所述的制備方法制備得到的超高硬度抗空蝕高熵合金涂層。
...【技術特征摘要】
1.一種超高硬度抗空蝕高熵合金涂層的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的超高硬度抗空蝕高熵合金涂層的制備方法，其特征在于：步驟（1）中的al、cr、co和ni的純金屬原料的純度均在99.9?wt.%以上。
3.如權利要求1所述的一種超高硬度抗空蝕高熵合金涂層的制備方法，其特征在于：步驟（2）中惰性氣體為氮氣、氬氣和氦氣中的任意一種，惰性氣體的壓力為0.5~5?mpa，惰性氣體的流量為900~1500?m3/h。
4.如權利要求1所述的一種超高硬度抗空蝕高熵合金涂層的制備方法，其特征在于：步驟（3）中金屬基材為銅合金、鈦合金、鋁合金、不銹鋼、鎳鋁青銅、錳鋁青銅、鋁青銅、l907a鋼、鑄鋼中的一種，噴砂處理后金屬基材表面的粗糙度ra≥1μm。
5.如權利要求1所述的一種超高硬度抗空蝕高熵合金涂層...
【專利技術屬性】
技術研發人員：侯國梁，曹昊博，萬宏啟，安宇龍，趙曉琴，周惠娣，陳建敏，
申請(專利權)人：中國科學院蘭州化學物理研究所，
類型：發明
國別省市：
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