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CN111020579B - 一种在钛合金上制备TiB2颗粒增强高熵合金涂层的方法 - Google Patents

一种在钛合金上制备TiB2颗粒增强高熵合金涂层的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种在钛合金上制备TiB2颗粒增强高熵合金涂层的方法，是在钛合金基体表面依次预制Co膜、Ni膜和Cr膜，然后将Co、Cr、Cu、Fe、Ni、Mo、Mn和TiB2混合粉末熔覆至含有预制膜的钛合金基体上，即可获得TiB2颗粒增强CoCrCuFeNiMoMn高熵合金涂层。本发明的方法制得的涂层具有耐磨性和抗氧化能力好的特点。

Description

一种在钛合金上制备TiB2颗粒增强高熵合金涂层的方法
技术领域
本发明涉及一种高熵合金涂层的制备方法，特别是一种在钛合金上制备 TiB2颗粒增强高熵合金涂层的方法。
背景技术
高熵合金是一种新型的合金体系，在合金的设计方面，它改变了传统合金材料以某一种合金元素为主的设计理念，采用了四种及以上的元素按照等原子配置而成，最终形成了多主元的合金体系。这种多主元合金的特征在于它具有较高的混合熵和位形熵，在这种高熵的驱动下，形成了全固溶的显微组织，因此被称为高熵合金。关于高熵合金的研究，最初开始于1995年前后， 2004年，中国台湾学者首次将其命名为高熵合金。由于高熵合金具有的全固溶组织，抑制了脆性的金属件化合物的形成，这种组织多以面心立方或体心立方或者是二者的混合体为主。由于金相组织的特殊，使其具有非常可观的力学性能，如一些系列的高熵合金产生了超过强度、高塑性，同时具有较高的硬度、耐磨耐蚀性、热阻、电阻，磁学性能等。如此优异的性能也吸引了材料学者广泛的关注，关于高熵合金研究报道的数量成幂指数增长。
虽然针对高熵合金的新体系开发已经开展了众多的研究工作，但是针对高熵合金的连接及高熵合金与现有金属材料的复合所开展的研究工作还较少，致使某些技术和方法还处于空白状态。众所周知，钛合金是一种高温性能和耐化学腐蚀都较为优异的一种合金，常常用于航空航天和军工行业，但是其缺点是抗氧化性差，耐磨性差，因此针对钛合金的表面改性和表面涂层的制备技术的研究工作开展的较多。将耐磨性高，力学性能好的高熵合金与钛合金复合起来，在钛合金表面形成一层性能优异的高熵合金涂层并能有效地改善钛合金的弱点，提高材料的使用范围和使用寿命，而目前相关的研究还较少。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种在钛合金上制备TiB2颗粒增强高熵合金涂层的方法。本发明的方法制得的涂层具有耐磨性和抗氧化能力好的特点。
本发明的技术方案：一种在钛合金上制备TiB2颗粒增强高熵合金涂层的方法，是在钛合金基体表面依次预制Co膜、Ni膜和Cr膜，然后将Co、Cr、 Cu、Fe、Ni、Mo、Mn和TiB2混合粉末熔覆至含有预制膜的钛合金基体上，即可获得TiB2颗粒增强CoCrCuFeNiMoMn高熵合金涂层。
前述的在钛合金上制备TiB2颗粒增强高熵合金涂层的方法，所述钛合金基体是指工业纯钛或Ti-6Al-4V合金。
前述的在钛合金上制备TiB2颗粒增强高熵合金涂层的方法，所述钛合金基体在预制Co、Ni和Cr薄膜之前，先打磨清洗。
前述的在钛合金上制备TiB2颗粒增强高熵合金涂层的方法，所述打磨采用2000-3000目砂纸打磨，打磨后超声清洗20-40min，然后在30-50℃烘干。
前述的在钛合金上制备TiB2颗粒增强高熵合金涂层的方法，所述Co膜、 Ni膜和Cr膜是通过磁控溅射设备制备。
前述的在钛合金上制备TiB2颗粒增强高熵合金涂层的方法，所述Co膜、 Ni膜和Cr膜的厚度分别为10-100nm。
前述的在钛合金上制备TiB2颗粒增强高熵合金涂层的方法，所述Co、 Cr、Cu、Fe、Ni、Mo、Mn和TiB2混合粉末中，Co、Cr、Cu、Fe、Ni、Mo、 Mn和TiB2的摩尔比为1：1：1：1：1：1：1：0.3。
前述的在钛合金上制备TiB2颗粒增强高熵合金涂层的方法，所述Co、 Cr、Cu、Fe、Ni、Mo、Mn和TiB2混合粉末的粒度为10-30μm。
前述的在钛合金上制备TiB2颗粒增强高熵合金涂层的方法，所述混合粉末熔覆采用等离子熔覆。
本发明的有益效果
通过本发明的方法，在钛合金的表面制备TiB2增强的CoCrCuFeNiMoMn 高熵合金涂层，可以有效的提高钛合金表面的耐磨性能和抗氧化性能。
具体如下：
1、本发明的合金涂层属于一种新的高熵合金体系，高熵合金虽然是多种合金元素等比例配合后形成了全固溶组织，但是原子半径要互相匹配，并不是随意的混合就能形成高熵合金，需要精确的计算和实验验证，目前已发现的高熵合金体系仅几十种。本发明在现有的CoCrCuFeNi高熵合金体系的基础上，针对这一合金体系添加Al、Ti之外的合金元素难以形成高熵合金的前提下，通过进一步的理论计算和实验验证，得到Mn和Mo协同作用下能够促进元素的固溶，从而得到了全新的CoCrCuFeNiMoMn高熵合金体系，并具备涂层的形成能力，提升了其硬度和抗氧化能力。
2、本发明通过添加增强相，解决了TiB2颗粒在高熵合金内的界面相容性问题，成功的获得了界面相容性好的TiB2颗粒CoCrCuFeNiMoMn高熵合金涂层，进一步提升了耐磨性。
3、本发明通过按照特定顺序镀Co膜、Ni膜和Cr膜预制膜使TiB2颗粒CoCrCuFeNiMoMn高熵合金涂层能够与纯钛或Ti-6Al-4V合金完美结合。如果没有这个预制膜的过程，则没有办法在这两种钛合金上实现CoCrCuFeNiMoMn 高熵合金涂层的制备。原理是Co膜与钛有良好的相容性，Ni和Cr都达不到此效果。所以首先镀Co膜，其次是Ni膜，由于有了Co膜为衬底和基体，所以Ni很容易就能形成良好的结合，Cr膜只能最后镀，因为这三种金属， Cr的熔点最高，在高温镀Cr后，使得Co、Ni、Cr不再是三种独立的膜，而是形成了一个CoNiCr整体，这个整体虽然没有完全形成高熵的全固溶组织，但是也已半固溶组织的形式存在。当TiB2+CoCrCuFeNiMoMn喷射到CoNiCr 这种半固溶组织后，就整体形成了全固溶的TiB2+CoCrCuFeNiMoMn高熵合金组织，使得涂层到钛合金完美过渡，而没有金属化合物的中间带，从而获得了涂层与基体合金一体的组织。
申请人做了如下对比试验，分别取实施例1、2所制备了涂层的合金与没有制备涂层的Ti-6Al-4V合金，分别进行销盘磨损试验和抗氧化能力试验，每组测试10次，测试结果去平均值，结果见表1。
表1性能测试结果
Figure BDA0002326959240000041
由表可知，按实施例1、2所制备的含有高熵合金涂层与没有涂层的 Ti-6Al-4V合金相比，磨损失重减少了50％以上，说明耐磨性提升为原来的2 倍，氧化增重仅为没有涂层的1/8左右，说明抗氧化能力提高了至少8倍。可见，通过本发明所制备的涂层改善了钛合金的使用性能。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
本发明的实施例
实施例1
尺寸为150×100×10毫米的Ti-6Al-4V合金进行TiB2颗粒增强 CoCrCuFeNiMoMn高熵合金涂层
将母材表面用2500目砂纸打磨，用超声清洗30分钟后在电阻炉40℃烘干，利用磁控溅射设备首先以Co为靶材，在Ti-6Al-4V合金上镀Co膜，厚度为30nm，然后以Ni为靶材，在Co膜的基础上镀Ni膜，厚度为35nm，最后以Cr为靶材，在Co和Ni膜的基础上镀Cr膜，厚度为45nm。将粒度均为 25微米的Co、Cr、Cu、Fe、Ni、Mo、Mn、TiB2粉通过球磨机进行均匀混合，混合粉中摩尔比Co：Cr：Cu：Fe：Ni：Mo：Mn：TiB2＝1:1:1:1:1:1:1:0.3。将混合粉加入到等离子熔覆设备的送料系统中，通入99.9％的氩气，通过氩气的压力使混合粉末喷射至Ti-6Al-4V合金表面，以等离子为热源在合金表面上形成TiB2颗粒增强CoCrCuFeNiMoMn高熵合金涂层，进行一次熔覆，得到的涂层厚度为1.2mm。
实施例2
尺寸为180×100×15毫米的工业纯钛(纯度99.7％)合金进行TiB2颗粒增强CoCrCuFeNiMoMn高熵合金涂层
将母材表面用3000目砂纸打磨，用超声清洗30分钟后在电阻炉30℃烘干。利用磁控溅射设备首先以Co为靶材，在合金上镀Co膜，厚度为70nm，然后以Ni为靶材，在Co膜的基础上镀Ni膜，厚度为70nm，最后以Cr为靶材，在Co和Ni膜的基础上镀Cr膜，厚度为70nm。将粒度均为10微米的 Co、Cr、Cu、Fe、Ni、Mo、Mn、TiB2粉通过球磨机进行均匀混合，混合粉中摩尔比Co：Cr：Cu：Fe：Ni：Mo：Mn：TiB2＝1:1:1:1:1:1:1:0.3。将混合粉加入到等离子熔覆设备的送料系统中，通入99.9％的氩气，通过氩气的压力使混合粉末喷射至合金表面，以等离子为热源在合金表面上形成TiB2颗粒增强CoCrCuFeNiMoMn高熵合金涂层，进行两次熔覆，得到的涂层厚度为3.1mm。
实施例3
尺寸为180×100×25毫米的工业纯钛(纯度99.9％)合金进行TiB2颗粒增强CoCrCuFeNiMoMn高熵合金涂层
将母材表面用2000目砂纸打磨，用超声清洗20分钟后在真空电阻炉中 50℃烘干。利用磁控溅射设备首先以Co为靶材，在合金上镀Co膜，厚度为 10nm，然后以Ni为靶材，在Co膜的基础上镀Ni膜，厚度为10nm，最后以 Cr为靶材，在Co和Ni膜的基础上镀Cr膜，厚度为10nm。将粒度均为30 微米的Co、Cr、Cu、Fe、Ni、Mo、Mn、TiB2粉通过球磨机进行均匀混合，混合粉中摩尔比Co：Cr：Cu：Fe：Ni：Mo：Mn：TiB2＝1:1:1:1:1:1:1:0.3。将混合粉加入到等离子熔覆设备的送料系统中，通入99.9％的氩气，通过氩气的压力使混合粉末喷射至合金表面，以等离子为热源在合金表面上形成TiB2颗粒增强CoCrCuFeNiMoMn高熵合金涂层，进行三次熔覆，得到的涂层厚度为5.1mm。
实施例4
尺寸为180×100×35毫米的Ti-6Al-4V合金进行TiB2颗粒增强 CoCrCuFeNiMoMn高熵合金涂层
将母材表面用2500目砂纸打磨，用超声清洗40分钟后在真空电阻炉中 45℃烘干。利用磁控溅射设备首先以Co为靶材，在合金上镀Co膜，厚度为 100nm，然后以Ni为靶材，在Co膜的基础上镀Ni膜，厚度为100nm，最后以Cr为靶材，在Co和Ni膜的基础上镀Cr膜，厚度为100nm。将粒度均为 20微米的Co、Cr、Cu、Fe、Ni、Mo、Mn、TiB2粉通过球磨机进行均匀混合，混合粉中摩尔比Co：Cr：Cu：Fe：Ni：Mo：Mn：TiB2＝1:1:1:1:1:1:1:0.3。将混合粉加入到等离子熔覆设备的送料系统中，通入99.9％的氩气，通过氩气的压力使混合粉末喷射至Ti-6Al-4V合金表面，以等离子为热源在合金表面上形成TiB2颗粒增强CoCrCuFeNiMoMn高熵合金涂层，进行两次熔覆，得到的涂层厚度为2.9mm。
实施例5
尺寸为180×100×35毫米的Ti-6Al-4V合金进行TiB2颗粒增强 CoCrCuFeNiMoMn高熵合金涂层
将母材表面用2000目砂纸打磨，用超声清洗20分钟后在真空电阻炉中 30℃烘干。利用磁控溅射设备首先以Co为靶材，在合金上镀Co膜，厚度为10nm，然后以Ni为靶材，在Co膜的基础上镀Ni膜，厚度为10nm，最后以 Cr为靶材，在Co和Ni膜的基础上镀Cr膜，厚度为10nm。将粒度均为10 微米的Co、Cr、Cu、Fe、Ni、Mo、Mn、TiB2粉通过球磨机进行均匀混合，混合粉中摩尔比Co：Cr：Cu：Fe：Ni：Mo：Mn：TiB2＝1:1:1:1:1:1:1:0.3。将混合粉加入到等离子熔覆设备的送料系统中，通入99.9％的氩气，通过氩气的压力使混合粉末喷射至Ti-6Al-4V合金表面，以等离子为热源在合金表面上形成TiB2颗粒增强CoCrCuFeNiMoMn高熵合金涂层，进行两次熔覆，得到的涂层厚度为2.9mm。
实施例6
尺寸为180×100×35毫米的Ti-6Al-4V合金进行TiB2颗粒增强 CoCrCuFeNiMoMn高熵合金涂层
将母材表面用3000目砂纸打磨，用超声清洗40分钟后在真空电阻炉中 50℃烘干。利用磁控溅射设备首先以Co为靶材，在合金上镀Co膜，厚度为 100nm，然后以Ni为靶材，在Co膜的基础上镀Ni膜，厚度为100nm，最后以Cr为靶材，在Co和Ni膜的基础上镀Cr膜，厚度为100nm。将粒度均为 30微米的Co、Cr、Cu、Fe、Ni、Mo、Mn、TiB2粉通过球磨机进行均匀混合，混合粉中摩尔比Co：Cr：Cu：Fe：Ni：Mo：Mn：TiB2＝1:1:1:1:1:1:1:0.3。将混合粉加入到等离子熔覆设备的送料系统中，通入99.9％的氩气，通过氩气的压力使混合粉末喷射至Ti-6Al-4V合金表面，以等离子为热源在合金表面上形成TiB2颗粒增强CoCrCuFeNiMoMn高熵合金涂层，进行两次熔覆，得到的涂层厚度为2.9mm。
以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造揭露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种在钛合金上制备TiB2颗粒增强高熵合金涂层的方法，其特征在于：是在钛合金基体表面依次预制Co膜、Ni膜和Cr膜，然后将Co、Cr、Cu、Fe、Ni、Mo、Mn和TiB2混合粉末熔覆至含有预制膜的钛合金基体上，即可获得TiB2颗粒增强CoCrCuFeNiMoMn高熵合金涂层；所述钛合金基体是指工业纯钛或Ti-6Al-4V合金。
2.根据权利要求1所述的在钛合金上制备TiB2颗粒增强高熵合金涂层的方法，其特征在于：所述钛合金基体在预制Co、Ni和Cr薄膜之前，先打磨清洗。
3.根据权利要求2所述的在钛合金上制备TiB2颗粒增强高熵合金涂层的方法，其特征在于：所述打磨采用2000-3000目砂纸打磨，打磨后超声清洗20-40min，然后在30-50℃烘干。
4.根据权利要求1所述的在钛合金上制备TiB2颗粒增强高熵合金涂层的方法，其特征在于：所述Co膜、Ni膜和Cr膜是通过磁控溅射设备制备。
5.根据权利要求1所述的在钛合金上制备TiB2颗粒增强高熵合金涂层的方法，其特征在于：所述Co膜、Ni膜和Cr膜的厚度分别为10-100nm。
6.根据权利要求1所述的在钛合金上制备TiB2颗粒增强高熵合金涂层的方法，其特征在于：所述Co、Cr、Cu、Fe、Ni、Mo、Mn和TiB2混合粉末中，Co、Cr、Cu、Fe、Ni、Mo、Mn和TiB2的摩尔比为1：1：1：1：1：1：1：0.3。
7.根据权利要求1所述的在钛合金上制备TiB2颗粒增强高熵合金涂层的方法，其特征在于：所述Co、Cr、Cu、Fe、Ni、Mo、Mn和TiB2混合粉末的粒度为10-30μm。
8.根据权利要求1所述的在钛合金上制备TiB2颗粒增强高熵合金涂层的方法，其特征在于：所述混合粉末熔覆采用等离子熔覆。
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