一种抗高温冲蚀单相高熵合金涂层及其制备方法

本发明属于防护涂层制备，具体涉及一种抗高温冲蚀单相高熵合金涂层及其制备方法。

背景技术：

1、高温固态颗粒冲蚀损伤对发动机叶片、高温汽轮机叶片及火电锅炉受热面等重要装备构件的服役寿命产生重大影响，直接影响装备的安全运行周期，因此如何提高关键零构件在高温环境下的抗冲蚀损伤能力是当前的重大装备亟需解决的问题。为了提高零构件的抗高温冲蚀性能，不仅要求材料具有优异的抗高温氧化性能，还需要材料具有较高的硬度和高温稳定性。高熵合金是一种新兴的多主元合金，具有简单的固溶体结构，表现出优异的力学性能及耐磨蚀性能，在高温腐蚀、磨损等领域具有广阔的应用前景。

2、然而，由于合金元素含量高，导致高熵合金材料的成本较高，严重限制了其在工业领域的推广应用。激光熔覆技术是一种表面涂层制备技术，可在金属零件表面制备一层高熵合金涂层，不仅可以有效降低零件的高温固态颗粒冲蚀损伤，又能显著降低零件整体材质更换引起的高成本问题。传统激光熔覆技术存在熔覆速率低，基材热输入高以及涂层表面质量不好的问题。采用高速激光熔覆技术可有效提高涂层的加工效率，降低基材的热输入以防止热变形，且高凝固速率可有效细化涂层组织，使涂层表现出更加优异的性能。

3、alcocrfeni2.1合金是一种典型的共晶高熵合金，其具有良好的综合力学性能和耐腐蚀性能，适用于高速激光熔覆技术。然而，alcocrfeni2.1高熵合金的硬度较低，且高温下的抗氧化及腐蚀性能一般，因此其抗高温固态颗粒冲蚀性能不理想。通过增加al元素含量，可以调节alcocrfeni2.1高熵中的bcc与fcc配比，从而提高其硬度，同时al元素有益于合金的抗高温氧化与腐蚀性能。此外，通过提高fe含量可以改善涂层与碳钢基材间的相容性与热膨胀系数差，有利于制备内部无缺陷且与基材呈强冶金结合的涂层。

4、因此，基于元素调控可设计获得具有优异抗高温冲蚀性能的单相高熵合金涂层，利用高速激光熔覆方法可实现其高效制备。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种抗高温冲蚀单相高熵合金涂层及其制备方法，用于解决重大装备关键高温部件抗高温冲蚀磨损性能不足的技术问题。

2、本发明采用以下技术方案：

3、一种抗高温冲蚀单相高熵合金涂层制备方法，包括以下步骤：

4、将al、co、cr、fe和ni粉末按x：1：1：1.5：2.1的摩尔比混合均匀，x为1.3～2.0，得到球形混合粉末；

5、利用球形混合粉末在基体材料的表面沉积制备得到具有单相bcc结构的alxcocrfe1.5ni2.1单相高熵合金涂层。

6、优选地，球形混合粉末的粒度为53～105μm，采用机械混合方式制备得到。

7、更优选地，机械混合方式中，控制球料比为(3～10)：1，球磨转速为100～300r/min，球磨时间为3～12h。

8、更优选地，球磨过程中通氩气保护。

9、优选地，利用球形混合粉末在基体材料的表面沉积前，在真空条件下，对球形混合粉末进行干燥处理，干燥处理的温度为80～150℃，时间大于等于50min。

10、优选地，在基体材料的表面采用激光熔覆制备得到厚度100～600μm的alxcocrfe1.5ni2.1单相高熵合金涂层。

11、更优选地，激光熔覆功率为1～2.5kw，激光扫描速率为3000～10000mm/min，熔覆搭接率为60％～90％。

12、优选地，激光熔覆前，先对基体材料进行预热处理，预热处理的温度为200～500℃。

13、优选地，在基体表面沉积制备前，先对基体材料的表面进行除锈、打磨、抛光、清洗及烘烤预处理。

14、本发明的另一技术方案是，一种抗高温冲蚀单相高熵合金涂层，硬度为602～710hv，抗高温固态颗粒冲蚀性能比传统耐热钢或不锈钢提高5～10倍。

15、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

16、一种抗高温冲蚀单相高熵合金涂层制备方法，以传统碳钢或不锈钢为基材，利用简单机械球磨混粉的方法配制熔覆原料粉末，借助同轴送粉高速激光熔覆设备高效制备厚度宽幅可调的alxcocrfe1.5ni2.1单相高熵合金涂层，涂层具有高硬度，表现出优异的抗高温固态颗粒冲蚀性能，可作为高温构件的表面防护涂层使用；alxcocrfe1.5ni2.1高熵合金涂层中x范围为1.3～2.0，通过al含量控制涂层为单相bcc组织以获得高硬度，同时提高涂层抗高温氧化性能，alxcocrfe1.5ni2.1高熵合金涂层中x≤2.0，可保证涂层具有一定的塑韧性，从而避免高速熔覆过程中的严重开裂问题；通过高熵合金成分设计，使得alxcocrfe1.5ni2.1涂层与碳钢间的热膨胀系数降低，从而显著降低高速熔覆过程中涂层界面的应力，减小开裂倾向。

17、进一步的，球形原料粉末的粒度范围为53～105μm，在保证粉末混合均匀的前提下保持良好的球形度，从而控制熔覆涂层的成分、组织及厚度均匀分布。

18、进一步的，球料比(3～10)：1，球磨转速为100～300r/min，球磨时间为3～12h，在保证粉末混合均匀的前提下保持良好的球形度，从而控制熔覆涂层的成分、组织及厚度均匀分布。

19、进一步的，球磨过程通氩气保护，在保证粉末混合均匀的前提下保持良好的球形度。

20、进一步的，将混合后的粉末在真空干燥箱中80～150℃烘烤50min以上，以除去水分，保证粉末良好的流动性，且减少熔覆过程中涂层内部产生气孔缺陷。

21、进一步的，激光熔覆功率为1～2.5kw，激光扫描速率为3000～10000mm/min，熔覆搭接率为60～90％，通过设计较高的激光扫描速率可提高涂层熔覆制备效率，获得细小的显微组织；另一方面，通过激光功率与熔覆速率的优化设计，避免单相bcc涂层高速熔覆过程中内部为气孔及裂纹缺陷；通过搭接率设计，可宽幅控制涂层的厚度以及涂层表面粗糙度，同时控制涂层熔覆过程中的稀释率较低。

22、进一步的，在激光熔覆前需对基材进行预热处理，预热温度为200～500℃，以降低高速熔覆过程中高硬度涂层的开裂现象。

23、进一步的，在熔覆前对基材表面进行预处理，以保证熔覆涂层与基材间良好的结合性能。

24、一种抗高温冲蚀磨损单相高熵合金涂层，涂层的硬度为602～710hv，涂层抗高温固态颗粒冲蚀性能比传统耐热钢或不锈钢提高5～10倍。该涂层可用于解决高温环境下关键运动部件的高温冲蚀损伤及失效防护问题，以显著提高装备的安全服役寿命，具有重要的工程应用推广价值。

25、综上所述，本发明方法制备的抗高温冲蚀单相高熵合金涂层具有高硬度和抗高温氧化性能，表现出优异的抗高温固态颗粒冲蚀磨损性能；对于改善高温环境下关键结构件的抗固态颗粒冲蚀磨损性能具有重要意义。

26、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。