一种陶瓷颗粒增强高熵合金复合涂层及其制备方法与流程

本发明属于耐磨损涂层领域，具体涉及一种陶瓷颗粒增强高熵合金复合涂层及其制备方法。

背景技术：

1、航空航天领域的快速发展，对材料的结构和功能需求不再局限于单一的高性能指标，而是要求其在复杂工作环境下具有较高的综合性能，tc4作为典型的航空用轻质合金，具有密度低、比强度高的优点，但由于其硬度低、耐磨损性能差，限制了其在航空航天领域的进一步应用。

2、在零件表面覆加功能涂层可以显著提高零件的硬度与耐磨损性能，从而延长零件的稳定性与使用寿命。cocrfenimn高熵合金是co、cr、fe、ni和mn五种元素按照接近等原子比混合而成，得到的合金并未形成复杂的金属间化合物，而是形成了简单的固溶体结构，多种元素均匀分布在晶格中，在原子层面上具有较高的配置熵，增加了合金的热力学稳定性，使高熵合金展现出独特的微观结构和优异的物理、化学以及机械性能。cocrfenimn被认为是目前为止最为经典且应用最为广泛的高熵合金体系，但其在常温下的耐磨损性能仍不能完全满足航空航天领域内的要求。

技术实现思路

1、要解决的技术问题：

2、为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种陶瓷颗粒增强高熵合金复合涂层及其制备方法，该涂层由含有co、cr、fe、ni和mn五种元素的cocrfenimn高熵合金粉末和wc陶瓷粉末混合制备得到，以wc陶瓷颗粒作为高熵合金的增强相，同时高熵合金作为wc陶瓷的基体与粘结相，开发一种兼具cocrfenimn高熵合金以及wc陶瓷二者综合性能的涂层，具有高硬度以及优异的耐磨损性能，在航空航天、海洋工程等领域具有重要应用潜力。

3、本发明的技术方案是：一种陶瓷颗粒增强高熵合金复合涂层，其特征在于：包括cocrfenimn高熵合金粉末与wc陶瓷粉末，其中，wc陶瓷粉末的质量占比为1％～20％；

4、所述cocrfenimn高熵合金粉末中co、cr、fe、ni和mn五种元素为等摩尔比。

5、本发明的进一步技术方案是：所述cocrfenimn高熵合金粉末的粒径为45～105μm。

6、本发明的进一步技术方案是：所述wc陶瓷粉末的粒径为45～105μm。

7、本发明的进一步技术方案是：所述wc陶瓷粉末中w元素的质量占比为75％～85％。

8、一种陶瓷颗粒增强高熵合金复合涂层的制备方法，其特征在于具体步骤如下：

9、采用真空气雾化法制备cocrfenimn高熵合金粉末；

10、采用等离子球化法制备wc陶瓷粉末；

11、通过低能真空球磨法将cocrfenimn高熵合金粉末与wc陶瓷粉末充分混合，得到复合粉末原料；复合粉末中wc陶瓷粉末的质量占比为1％～20％；

12、使用激光熔化沉积技术在tc4基体表面制备wc颗粒增强cocrfenimn高熵合金复合涂层。

13、本发明的进一步技术方案是：所述低能真空球磨法制备复合粉末原料时，需在真空条件下进行，球磨罐容积为500ml，配合100g复合粉末与400g氧化锆磨球使用，转速为200rpm，运行时间为4小时。

14、本发明的进一步技术方案是：所述tc4基体表面制备涂层前，需要对tc4基体进行喷砂处理。

15、本发明的进一步技术方案是：所述激光熔化沉积技术的工艺参数为，激光功率为1300w，光斑直径3.5mm，激光扫描速度10mm/s，送粉速度6.5g/min，相邻激光扫描间距为1.92mm，对应的搭接率为40％。

16、本发明的进一步技术方案是：所述真空气雾化法制备cocrfenimn高熵合金粉末的方法如下：

17、将co、cr、fe、ni和mn五种金属原料放入真空气雾化设备的坩埚中，启动真空系统，真空度达到设定值；

18、加热坩埚将金属原料加热至熔点以上，确保金属完全熔化；

19、通过气体喷嘴将氩气注入坩埚中，使金属表面形成一层气雾，高速气流将液态金属抛射成微小的液滴；

20、气雾化后，液滴迅速冷却并凝固成球形粉末颗粒，并自由落体沉积到收集器上；

21、对制备的粉末进行筛分，去除粒径过大或过小的颗粒，收集粒径在45～105μm的粉末颗粒。

22、本发明的进一步技术方案是：所述复合粉末中wc陶瓷粉末的质量占比为1％～10％。

23、有益效果

24、本发明的有益效果在于：本发明提供了一种制备碳化钨硬质颗粒增强高熵合金复合涂层的制备方法，其中co、cr、fe、ni和mn作为过渡族元素，其组合形成的合金呈现单相fcc结构，形成了稳定的固溶体，不存在传统意义上的“溶质原子”与“溶剂原子”，不同金属原子以相同的概率占据晶格位置，以固溶强化来增强合金的性能。由于各个元素之间的电负性、晶体结构和原子半径各不相同，这将不可避免地产生较为严重的晶格畸变，使高熵合金具有较高的强度和硬度。

25、本发明采用“两步法”来制备粉末原料，即先制备高熵合金粉末，使其形成稳定的fcc结构固溶体，再与球形碳化钨颗粒进行球磨混合，将高熵合金作为wc的粘结相，使碳化钨颗粒更好地保留在涂层中。不同于传统金属增强相的设计与应用，本发明使用与高熵合金粉末粒径相近的碳化钨颗粒作为增强相，这样做首先保证了混合粉末粒径和形貌的统一，避免了“卫星粉”的出现，使粉末原料具有较高的球形度，显著降低了制备涂层过程中激光熔覆送粉系统堵塞的概率，提高了粉末制备的效率；其次较大粒径的碳化钨颗粒在涂层中更有利于抵抗摩擦磨损过程中产生的应力，可以进一步提高涂层的耐磨损性能。

26、本发明制备的涂层具有高硬度、耐磨损的优秀综合性能，在国防军工、航空航天、海洋工程、核工业等领域具有重要应用价值。本发明提供了上述涂层在航空用轻量化钛合金表面的应用实例。

技术特征：

1.一种陶瓷颗粒增强高熵合金复合涂层，其特征在于：包括cocrfenimn高熵合金粉末与wc陶瓷粉末，其中，wc陶瓷粉末的质量占比为1％～20％；

2.根据权利要求1所述一种陶瓷颗粒增强高熵合金复合涂层，其特征在于：所述cocrfenimn高熵合金粉末的粒径为45～105μm。

3.根据权利要求1所述一种陶瓷颗粒增强高熵合金复合涂层，其特征在于：所述wc陶瓷粉末的粒径为45～105μm。

4.根据权利要求1所述一种陶瓷颗粒增强高熵合金复合涂层，其特征在于：所述wc陶瓷粉末中w元素的质量占比为75％～85％。

5.一种权利要求1-4任一项所述陶瓷颗粒增强高熵合金复合涂层的制备方法，其特征在于具体步骤如下：

6.根据权利要求5所述一种陶瓷颗粒增强高熵合金复合涂层的制备方法，其特征在于：所述低能真空球磨法制备复合粉末原料时，需在真空条件下进行，球磨罐容积为500ml，配合100g复合粉末与400g氧化锆磨球使用，转速为200rpm，运行时间为4小时。

7.根据权利要求5所述一种陶瓷颗粒增强高熵合金复合涂层的制备方法，其特征在于：所述tc4基体表面制备涂层前，需要对tc4基体进行喷砂处理。

8.根据权利要求5所述一种陶瓷颗粒增强高熵合金复合涂层的制备方法，其特征在于：所述激光熔化沉积技术的工艺参数为，激光功率为1300w，光斑直径3.5mm，激光扫描速度10mm/s，送粉速度6.5g/min，相邻激光扫描间距为1.92mm，对应的搭接率为40％。

9.根据权利要求5所述一种陶瓷颗粒增强高熵合金复合涂层的制备方法，其特征在于：所述真空气雾化法制备cocrfenimn高熵合金粉末的方法如下：

10.根据权利要求5所述一种陶瓷颗粒增强高熵合金复合涂层的制备方法，其特征在于：所述复合粉末中wc陶瓷粉末的质量占比为1％～10％。

技术总结本发明一种陶瓷颗粒增强高熵合金复合涂层及其制备方法，属于耐磨损涂层领域；制备方法为：采用真空气雾化法制备CoCrFeNiMn高熵合金粉末；采用等离子球化法制备WC陶瓷粉末；通过低能真空球磨法将CoCrFeNiMn高熵合金粉末与WC陶瓷粉末充分混合，得到复合粉末原料；复合粉末中WC陶瓷粉末的质量占比为1％～20％；使用激光熔化沉积技术在TC4基体表面制备WC颗粒增强CoCrFeNiMn高熵合金复合涂层。本发明开发一种兼具CoCrFeNiMn高熵合金以及WC陶瓷二者综合性能的涂层，具有高硬度以及优异的耐磨损性能，在航空航天、海洋工程等领域具有重要应用潜力。技术研发人员：陈松,荣震,徐世霖,司朝润受保护的技术使用者：中机凯博表面技术江苏有限公司技术研发日：技术公布日：2024/9/2