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CN113215563A - 一种抗高温摩擦磨损高熵合金涂层及其制备方法 - Google Patents

一种抗高温摩擦磨损高熵合金涂层及其制备方法 Download PDF

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CN113215563A
CN113215563A CN202110446553.XA CN202110446553A CN113215563A CN 113215563 A CN113215563 A CN 113215563A CN 202110446553 A CN202110446553 A CN 202110446553A CN 113215563 A CN113215563 A CN 113215563A
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王岩
李鹏江
刘世锋
魏瑛康
杨鑫
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Xian University of Architecture and Technology
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Abstract

本发明公开了一种抗高温摩擦磨损高熵合金涂层及其制备方法，涂层材料包括W、Mo、Ta、Nb单质纯金属丝材，涂层材料的制备方法包括：S1、丝材绞合，利用绞合焊丝设备将W、Mo、Ta、Nb单质纯金属丝材制备成难熔高熵合金绞股丝材；S2、基材处理，以镍基高温合金板材作为基材，首先对基材进行表面清理，然后在基材表面涂抹活性助剂；S3、电弧熔覆成型，将难熔高熵合金绞股丝材利用复合丝材电弧增材制造工艺在基材上电弧熔覆成型厚度为抗高温摩擦磨损高熵合金涂层；通过本方法制备的高熵合金涂层结构致密、结合性优良，适宜大量推广。

Description

一种抗高温摩擦磨损高熵合金涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及高熵合金涂层技术领域，具体涉及一种抗高温摩擦磨损高熵合金涂层及其制备方法。
背景技术
航空发动机、燃气轮机的迅速发展对高温材料提出了近乎苛刻的要求，目前，包括涡轮发动机高压涡轮在内的高温结构部件所用材料主要为镍基超合金，第五代镍基高温合金的使用温度已经超过1000℃，最高使用温度可达其熔点的90％，已经达到了使用极限；此外，由于我国深海远海战略的实施，舰载飞机随航母在广泛水域活动，其停机贮存和工作环境长期暴露于含盐量高的海洋大气环境中，因此对各部件耐盐雾腐蚀能力提出更高的要求；在工程实践中大多数零部件的使用寿命是由其表面性能决定的，因此通过表面涂层技术在零部件表面制备高熵合金涂层是提高其使用寿命的有效途径；而要满足航空航天低比重、高温度(>1200℃)的使用需求，就必须开发能够在高温服役环境中使用的难熔高熵合金涂层。
高熵合金因强的高熵效应、晶格畸变效应、扩散迟滞效应及多主元之间的交互作用，具有优异的室/高温力学性能和功能特性；难熔高熵合金不但具有优异的室/高温力学性能、热稳定性，而且还具有较好的韧性和比强度；此外与镍基高温合金具有良好的物理相容和热匹配度，具有替代陶瓷高温防护涂层的潜力；超细/纳米稀土氧化物弥散强化是提高合金力学性能(尤其是高温性能)的重要手段，在钛基、镍基超合金中均有重要应用；难熔高熵合金主要由VI族元素Cr/Mo/W、V族元素V/Nb/Ta、IV族元素Ti/Zr/Hf中的几种和其它的少量合金化元素组合而成；该类高熵合金在较高温度下还能保持较高的屈服强度，能满足航空航天高温服役环境的苛刻要求；但合金粉末的熔点很高，同时它还是一种超硬、超脆材料，常规涂层制备工艺难以通过粉末熔化和塑性变形将其制备成涂层，这使得该类材料在航空航天等领域应用非常困难；相对于金属粉末，金属丝材具有利用率高(接近100％)，不污染环境，不宜氧化便于储存等优势；使用丝材成形制备零部件更加具有经济性和价格优势，而且采用丝材成形制备的产品尺寸范围要比粉末熔融技术大得多；发展高熵合金丝材有助于实现高熵合金材料的工程制备及应用，具有十分重要的现实意义和经济价值。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明提供了一种沉积效率高、材料利用率高的抗高温摩擦磨损高熵合金涂层及其制备方法。
本发明的技术方案为：一种抗高温摩擦磨损高熵合金涂层，包括以下质量百分比的原料：W 12.45-42.64％、Mo 7.68-33.68％、Ta 16.36-44.52％、Nb 9.45-26.36％；其中，W、Mo、Ta、Nb原料均为各单质纯金属丝材，纯度≥99.95％，直径为0.5-1.0mm，长度为450-500mm。
一种抗高温摩擦磨损高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、丝材绞合
分别取W、Mo、Ta、Nb单质纯金属丝材各一根，利用绞合焊丝设备制备难熔高熵合金绞股丝材；其中设备绞合过程中收丝速度为5-10m/min，绞距为5-15mm；
S2、基材处理
S2-1、以镍基高温合金板材作为基材，将基材表面打磨光滑，并去除基材表面油膜，然后将基材置于120-250℃条件下，干燥0.5-1.5h后备用；
S2-2、在步骤S2-1处理后的基材表面均匀涂抹活性助剂，活性助剂的涂抹厚度为0.2-0.4mm；
S3、电弧熔覆成型
将步骤S1所得难熔高熵合金绞股丝材利用复合丝材电弧增材制造工艺在步骤S2-2所得基材上电弧熔覆成型厚度为0.2-2mm的抗高温摩擦磨损高熵合金涂层；其中，电弧熔覆成型在氩气氛围下进行，气体流速为12-16L/min，电弧熔覆设备熔覆电压为14-28V，熔覆电流为90-250A，电弧长度为1.5-3.5mm，送丝速度为4.8-6.5m/min，熔覆速度为0.2-0.6m/min。
进一步地，涂层原料还包括0.68-1.22wt％的Al单质纯金属丝材，Al单质纯金属丝材的纯度≥99.95％，直径为0.5-1.0mm，长度为500-550mm；以Al单质纯金属丝材作为高熵合金绞股丝材的中心丝材，能够提高整体高熵合金绞股丝材的结构性能。
进一步地，步骤S1完成后，将步骤S1所得难熔高熵合金绞股丝材置入真空熔炼炉的水冷坩埚中，向真空熔炼炉中冲入氦气至炉内压强达到0.01-0.03MPa，并抽真空至炉内真空度达到1×10-3-3×10-3MPa；然后进行引弧熔炼3-5次，随炉冷却至室温后得到高熵合金铸锭；其中熔炼电流为380-540A，每次熔炼时间为30-80s；最后将高熵合金铸锭利用拔丝设备拉拔成直径为2-5mm的高熵合金丝材，高熵合金胶股丝材通过真空熔炼后，硬度和耐磨性得到了进一步提升。
进一步地，步骤S3进行之前，将难熔高熵合金绞股丝材在280-450℃条件下预热处理1-3小时，通过对难熔高熵合金绞股丝材进行预热处理，能够改善难熔高熵合金绞股丝材在电弧增材制造工艺中的晶粒直径，从而提高难熔高熵合金绞股丝材与基材的结合效果。
进一步地，步骤S1进行时，控制绞合焊丝设备的螺旋升角为40-55°，拉力为7-9N；通过控制绞合焊丝设备的螺旋升角和拉力，能够去除各单质纯金属丝材在胶合过程中的内部应力，避免焊接过程中难熔高熵合金绞股丝材端部散开。
进一步地，步骤S2-2中，活性助剂包括以下重量份的原料：SiO2 20-45份、MnO 15-30份、TiO2 12-19份，活性助剂的制备方法为：分别称取上述重量份的SiO2、MnO、TiO2置入玻璃容器中，然后加入16-25份的二甲基酮，搅拌均匀即可；通过在基材表面涂抹上述配比的活性助剂，有利于提高难熔高熵合金绞股丝材与基材焊接时的熔深，进而提高高熵合金涂层与基材的结合强度。
进一步地，步骤S3完成后，利用钨极氩弧焊设备对高熵合金涂层进行加热重熔处理，控制钨极氩弧焊设备电弧电流40-120A,电弧电压10-24V，通过对高熵合金涂层进行重熔处理，能够消除电弧熔覆成型后高熵合金涂层中的气孔和夹渣，从而提高高熵合金涂层的致密性和抗冲击性能。
进一步地，步骤S2-1完成后，将基材在0.5-1.8MPa的压强下进行喷砂处理，控制喷砂角度为45-60°，喷砂距离为80-120mm，通过对基材进行喷砂处理，能够提高基材表面的粗糙度，进而提高高熵合金涂层与基材的结合强度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过本发明制备的抗高温摩擦磨损高熵合金涂层结构致密，与基材的结合性优良；同时，纯金属合金丝材具有利用率高，不污染环境，不宜氧化便于储存等优势，使用丝材成形制备零部件更加具有经济性和价格优势，而且采用丝材成形制备的产品尺寸范围要比粉末熔融技术大得多了，发展高熵合金丝材有助于实现高熵合金材料的工程制备及应用，具有十分重要的现实意义和经济价值；本发明创新的利用电弧增材制造技术在镍基合金表面制备涂层，具有沉积效率高，材料利用率高，制造零件尺寸大，设备成本低等优点，为制备抗高温摩擦磨损高熵合金涂层提供了一种新思路，同时为电弧增材制造原材料即高熵合金丝材的制备提供了新方法，更加方便、快捷，有效地促进了高熵合金在涂层方面的工程应用。
附图说明
图1是本发明实施例1中难熔高熵合金绞股丝材的主视图；
图2是本发明实施例1中难熔高熵合金绞股丝材的截面图；
图3是本发明实施例2中难熔高熵合金绞股丝材的主视图；
图4是本发明实施例2中难熔高熵合金绞股丝材的截面图。
具体实施方式
实施例1：一种抗高温摩擦磨损高熵合金涂层，包括以下质量百分比的原料：W12.45％、Mo 30.68％、Ta 33.42％、Nb 23.45％；其中，W、Mo、Ta、Nb原料均为各单质纯金属丝材，纯度为99.95％，直径为0.5mm；长度为450mm。
一种抗高温摩擦磨损高熵合金涂层的制备方法，包括以下步骤：
S1、丝材绞合
分别取W、Mo、Ta、Nb单质纯金属丝材各一根，利用绞合焊丝设备制备难熔高熵合金绞股丝材；其中设备绞合过程中收丝速度为5m/min，绞距为5mm；
S2、基材处理
S2-1、以镍基高温合金板材作为基材，将基材表面打磨光滑，并去除基材表面油膜，然后将基材置于120℃条件下，干燥0.5h后备用；
S2-2、在步骤S2-1处理后的基材表面均匀涂抹活性助剂，活性助剂的涂抹厚度为0.2mm；活性助剂采用市售二氧化硅粉末；
S3、电弧熔覆成型
将步骤S1所得难熔高熵合金绞股丝材利用复合丝材电弧增材制造工艺在步骤S2-2所得基材上电弧熔覆成型厚度为0.2mm的抗高温摩擦磨损高熵合金涂层；其中，电弧熔覆成型在氩气氛围下进行，气体流速为12L/min，电弧熔覆设备熔覆电压为14V，熔覆电流为90A，电弧长度为1.5mm，送丝速度为4.8m/min，熔覆速度为0.2m/min。
实施例2：一种抗高温摩擦磨损高熵合金涂层，包括以下质量百分比的原料：W30.55％、Mo 7.68％、Ta 39.57％、Nb 21.25％、Al 0.95％；其中，W、Mo、Ta、Nb、Al原料均为各单质纯金属丝材，纯度为99.99％，直径为0.8mm；W、Mo、Ta、Nb单质纯金属丝材的长度为450mm，Al单质纯金属丝材的长度为500mm。
一种抗高温摩擦磨损高熵合金涂层的制备方法，包括以下步骤：
S1、丝材绞合
分别取W、Mo、Ta、Nb、Al单质纯金属丝材各一根，Al单质纯金属丝材作为中心丝材，W、Mo、Ta、Nb单质纯金属丝材作为外围丝材，利用绞合焊丝设备制备难熔高熵合金绞股丝材；其中设备绞合过程中收丝速度为8m/min，绞距为10mm；
S2、基材处理
S2-1、以镍基高温合金板材作为基材，将基材表面打磨光滑，并去除基材表面油膜，然后将基材置于180℃条件下，干燥1h后备用；
S2-2、在步骤S2-1处理后的基材表面均匀涂抹活性助剂，活性助剂的涂抹厚度为0.3mm；活性助剂为市售二氧化硅粉末；
S3、电弧熔覆成型
将步骤S1所得难熔高熵合金绞股丝材利用复合丝材电弧增材制造工艺在步骤S2-2所得基材上电弧熔覆成型厚度为1mm的抗高温摩擦磨损高熵合金涂层；其中，电弧熔覆成型在氩气氛围下进行，气体流速为14L/min，电弧熔覆设备熔覆电压为23V，熔覆电流为165A，电弧长度为2.5mm，送丝速度为5.3m/min，熔覆速度为0.4m/min。
实施例3：一种抗高温摩擦磨损高熵合金涂层，包括以下质量百分比的原料：W13.64％、Mo 25.14％、Ta 44.52％、Nb 15.48％、Al 1.22％；其中，W、Mo、Ta、Nb、Al原料均为各单质纯金属丝材，纯度为99.99％，直径为0.8mm；W、Mo、Ta、Nb单质纯金属丝材的长度为500mm，Al单质纯金属丝材的长度为550mm。
一种抗高温摩擦磨损高熵合金涂层的制备方法，包括以下步骤：
S1、丝材绞合
分别取W、Mo、Ta、Nb、Al单质纯金属丝材各一根，Al单质纯金属丝材作为中心丝材，W、Mo、Ta、Nb单质纯金属丝材作为外围丝材，利用绞合焊丝设备制备难熔高熵合金绞股丝材；其中设备绞合过程中收丝速度为10m/min，绞距为15mm；控制绞合焊丝设备的螺旋升角为40°，拉力为7N；通过控制绞合焊丝设备的螺旋升角和拉力，能够去除各单质纯金属丝材在胶合过程中的内部应力，避免焊接过程中难熔高熵合金绞股丝材端部散开；然后将难熔高熵合金绞股丝材置入真空熔炼炉的水冷坩埚中，向真空熔炼炉中冲入氦气至炉内压强达到0.01MPa，并抽真空至炉内真空度达到1×10-3MPa；然后进行引弧熔炼3次，随炉冷却至室温后得到高熵合金铸锭；其中熔炼电流为380A，每次熔炼时间为30s；最后将高熵合金铸锭利用拔丝设备拉拔成直径为2mm的高熵合金丝材，高熵合金胶股丝材通过真空熔炼后，硬度和耐磨性得到了进一步提升；
S2、基材处理
S2-1、以镍基高温合金板材作为基材，将基材表面打磨光滑，并去除基材表面油膜，然后将基材置于250℃条件下，干燥1.5h后备用；
S2-2、在步骤S2-1处理后的基材表面均匀涂抹活性助剂，活性助剂的涂抹厚度为0.4mm；活性助剂为市售二氧化硅粉末；
S3、电弧熔覆成型
将步骤S1所得难熔高熵合金绞股丝材利用复合丝材电弧增材制造工艺在步骤S2-2所得基材上电弧熔覆成型厚度为2mm的抗高温摩擦磨损高熵合金涂层；其中，电弧熔覆成型在氩气氛围下进行，气体流速为16L/min，电弧熔覆设备熔覆电压为28V，熔覆电流为250A，电弧长度为3.5mm，送丝速度为6.5m/min，熔覆速度为0.6m/min。
实施例4：一种抗高温摩擦磨损高熵合金涂层，包括以下质量百分比的原料：W42.64％、Mo 13.96％、Ta 16.36％、Nb 26.36％、Al 0.68％；其中，W、Mo、Ta、Nb、Al原料均为各单质纯金属丝材，纯度为99.99％，直径为0.8mm；W、Mo、Ta、Nb单质纯金属丝材的长度为450mm，Al单质纯金属丝材的长度为500mm。
一种抗高温摩擦磨损高熵合金涂层的制备方法，包括以下步骤：
S1、丝材绞合
分别取W、Mo、Ta、Nb、Al单质纯金属丝材各一根，Al单质纯金属丝材作为中心丝材，W、Mo、Ta、Nb单质纯金属丝材作为外围丝材，利用绞合焊丝设备制备难熔高熵合金绞股丝材；其中设备绞合过程中收丝速度为5m/min，绞距为5mm；
S2、基材处理
S2-1、以镍基高温合金板材作为基材，将基材表面打磨光滑，并去除基材表面油膜，然后将基材置于120℃条件下，干燥0.5h后备用；将基材在1.8MPa的压强下进行喷砂处理，控制喷砂角度为60°，喷砂距离为120mm，通过对基材进行喷砂处理，能够提高基材表面的粗糙度，进而提高高熵合金涂层与基材的结合强度；
S2-2、在步骤S2-1处理后的基材表面均匀涂抹活性助剂，活性助剂的涂抹厚度为0.2mm；活性助剂包括以下重量份的原料：SiO2 20份、MnO 15份、TiO2 12份，活性助剂的制备方法为：分别称取上述重量份的SiO2、MnO、TiO2置入玻璃容器中，然后加入16份的二甲基酮，搅拌均匀即可；通过在基材表面涂抹上述配比的活性助剂，有利于提高难熔高熵合金绞股丝材与基材焊接时的熔深，进而提高高熵合金涂层与基材的结合强度；
S3、电弧熔覆成型
将步骤S1所得难熔高熵合金绞股丝材利用复合丝材电弧增材制造工艺在步骤S2-2所得基材上电弧熔覆成型厚度为0.2mm的抗高温摩擦磨损高熵合金涂层；其中，电弧熔覆成型在氩气氛围下进行，气体流速为12L/min，电弧熔覆设备熔覆电压为14V，熔覆电流为90A，电弧长度为1.5mm，送丝速度为4.8m/min，熔覆速度为0.2m/min。
实施例5：一种抗高温摩擦磨损高熵合金涂层，包括以下质量百分比的原料：W29.76％、Mo 33.68％、Ta 19.86％、Nb 15.48％、Al 1.22％；其中，W、Mo、Ta、Nb、Al原料均为各单质纯金属丝材，纯度为99.99％，直径为0.8mm；W、Mo、Ta、Nb单质纯金属丝材的长度为500mm，Al单质纯金属丝材的长度为550mm。
一种抗高温摩擦磨损高熵合金涂层的制备方法，包括以下步骤：
S1、丝材绞合
分别取W、Mo、Ta、Nb、Al单质纯金属丝材各一根，Al单质纯金属丝材作为中心丝材，W、Mo、Ta、Nb单质纯金属丝材作为外围丝材，利用绞合焊丝设备制备难熔高熵合金绞股丝材；其中设备绞合过程中收丝速度为10m/min，绞距为15mm；
S2、基材处理
S2-1、以镍基高温合金板材作为基材，将基材表面打磨光滑，并去除基材表面油膜，然后将基材置于250℃条件下，干燥1.5h后备用；
S2-2、在步骤S2-1处理后的基材表面均匀涂抹活性助剂，活性助剂的涂抹厚度为0.4mm；活性助剂采用市售二氧化硅粉末；
S3、电弧熔覆成型
将步骤S1所得难熔高熵合金绞股丝材在280℃条件下预热处理1小时，通过对难熔高熵合金绞股丝材进行预热处理，能够改善难熔高熵合金绞股丝材在电弧增材制造工艺中的晶粒直径，从而提高难熔高熵合金绞股丝材与基材的结合效果；然后难熔高熵合金绞股丝材利用复合丝材电弧增材制造工艺在步骤S2-2所得基材上电弧熔覆成型厚度为1.5mm的抗高温摩擦磨损高熵合金涂层；其中，电弧熔覆成型在氩气氛围下进行，气体流速为16L/min，电弧熔覆设备熔覆电压为28V，熔覆电流为250A，电弧长度为3.5mm，送丝速度为6.5m/min，熔覆速度为0.6m/min；最后利用钨极氩弧焊设备对高熵合金涂层进行加热重熔处理，控制钨极氩弧焊设备电弧电流40A,电弧电压10V，通过对高熵合金涂层进行重熔处理，能够消除电弧熔覆成型后高熵合金涂层中的气孔和夹渣，从而提高高熵合金涂层的致密性和抗冲击性能。
实施例6：一种抗高温摩擦磨损高熵合金涂层，包括以下质量百分比的原料：W21.58％、Mo 18.42％、Ta 44.52％、Nb 15.48％；其中，W、Mo、Ta、Nb原料均为各单质纯金属丝材，纯度为99.95％，直径为0.5mm；
一种抗高温摩擦磨损高熵合金涂层的制备方法，包括以下步骤：
S1、丝材绞合
分别取W、Mo、Ta、Nb单质纯金属丝材各一根，利用绞合焊丝设备制备难熔高熵合金绞股丝材；其中设备绞合过程中收丝速度为10m/min，绞距为15mm；控制绞合焊丝设备的螺旋升角为55°，拉力为8N；通过控制绞合焊丝设备的螺旋升角和拉力，能够去除各单质纯金属丝材在胶合过程中的内部应力，避免焊接过程中难熔高熵合金绞股丝材端部散开；然后将难熔高熵合金绞股丝材置入真空熔炼炉的水冷坩埚中，向真空熔炼炉中冲入氦气至炉内压强达到0.03MPa，并抽真空至炉内真空度达到3×10-3MPa；然后进行引弧熔炼5次，随炉冷却至室温后得到高熵合金铸锭；其中熔炼电流为540A，每次熔炼时间为80s；最后将高熵合金铸锭利用拔丝设备拉拔成直径为5mm的高熵合金丝材，高熵合金胶股丝材通过真空熔炼后，硬度和耐磨性得到了进一步提升；
S2、基材处理
S2-1、以镍基高温合金板材作为基材，将基材表面打磨光滑，并去除基材表面油膜，然后将基材置于250℃条件下，干燥1.5h后备用；将基材在1.8MPa的压强下进行喷砂处理，控制喷砂角度为60°，喷砂距离为120mm，通过对基材进行喷砂处理，能够提高基材表面的粗糙度，进而提高高熵合金涂层与基材的结合强度；
S2-2、在步骤S2-1处理后的基材表面均匀涂抹活性助剂，活性助剂的涂抹厚度为0.4mm；活性助剂包括以下重量份的原料：SiO2 45份、MnO 30份、TiO2 19份，活性助剂的制备方法为：分别称取上述重量份的SiO2、MnO、TiO2置入玻璃容器中，然后加入25份的二甲基酮，搅拌均匀即可；通过在基材表面涂抹上述配比的活性助剂，有利于提高难熔高熵合金绞股丝材与基材焊接时的熔深，进而提高高熵合金涂层与基材的结合强度；
S3、电弧熔覆成型
将步骤S1所高熵合金丝材在450℃条件下预热处理3小时，通过对难熔高熵合金绞股丝材进行预热处理，能够改善难熔高熵合金绞股丝材在电弧增材制造工艺中的晶粒直径，从而提高难熔高熵合金绞股丝材与基材的结合效果；然后将预热后的高熵合金丝材利用复合丝材电弧增材制造工艺在步骤S2-2所得基材上电弧熔覆成型厚度为2mm的抗高温摩擦磨损高熵合金涂层；其中，电弧熔覆成型在氩气氛围下进行，气体流速为16L/min，电弧熔覆设备熔覆电压为28V，熔覆电流为250A，电弧长度为3.5mm，送丝速度为6.5m/min，熔覆速度为0.6m/min；最后利用钨极氩弧焊设备对高熵合金涂层进行加热重熔处理，控制钨极氩弧焊设备电弧电流120A,电弧电压24V，通过对高熵合金涂层进行重熔处理，能够消除电弧熔覆成型后高熵合金涂层中的气孔和夹渣，从而提高高熵合金涂层的致密性和抗冲击性能。
实施例7：一种抗高温摩擦磨损高熵合金涂层，包括以下质量百分比的原料：W24.06％、Mo 18.24％、Ta 30.12％、Nb 26.36％、Al 1.22％；其中，W、Mo、Ta、Nb、Al原料均为各单质纯金属丝材，纯度为99.99％，直径为0.8mm；W、Mo、Ta、Nb单质纯金属丝材的长度为500mm，Al单质纯金属丝材的长度为550mm。
一种抗高温摩擦磨损高熵合金涂层的制备方法，包括以下步骤：
S1、丝材绞合
分别取W、Mo、Ta、Nb、Al单质纯金属丝材各一根，Al单质纯金属丝材作为中心丝材，W、Mo、Ta、Nb单质纯金属丝材作为外围丝材，利用绞合焊丝设备制备难熔高熵合金绞股丝材；其中设备绞合过程中收丝速度为10m/min，绞距为15mm，控制绞合焊丝设备的螺旋升角为55°，拉力为9N；通过控制绞合焊丝设备的螺旋升角和拉力，能够去除各单质纯金属丝材在胶合过程中的内部应力，避免焊接过程中难熔高熵合金绞股丝材端部散开；然后将难熔高熵合金绞股丝材置入真空熔炼炉的水冷坩埚中，向真空熔炼炉中冲入氦气至炉内压强达到0.03MPa，并抽真空至炉内真空度达到3×10-3MPa；然后进行引弧熔炼5次，随炉冷却至室温后得到高熵合金铸锭；其中熔炼电流为540A，每次熔炼时间为80s；最后将高熵合金铸锭利用拔丝设备拉拔成直径为5mm的高熵合金丝材，高熵合金胶股丝材通过真空熔炼后，硬度和耐磨性得到了进一步提升；
S2、基材处理
S2-1、以镍基高温合金板材作为基材，将基材表面打磨光滑，并去除基材表面油膜，然后将基材置于250℃条件下，干燥1.5h后备用；将基材在1.8MPa的压强下进行喷砂处理，控制喷砂角度为60°，喷砂距离为120mm，通过对基材进行喷砂处理，能够提高基材表面的粗糙度，进而提高高熵合金涂层与基材的结合强度；
S2-2、在步骤S2-1处理后的基材表面均匀涂抹活性助剂，活性助剂的涂抹厚度为0.4mm；活性助剂包括以下重量份的原料：SiO2 33份、MnO 25份、TiO2 16份，活性助剂的制备方法为：分别称取上述重量份的SiO2、MnO、TiO2置入玻璃容器中，然后加入19份的二甲基酮，搅拌均匀即可；通过在基材表面涂抹上述配比的活性助剂，有利于提高难熔高熵合金绞股丝材与基材焊接时的熔深，进而提高高熵合金涂层与基材的结合强度；
S3、电弧熔覆成型
将步骤S1所得高熵合金丝材在380℃条件下预热处理2小时，通过对难熔高熵合金绞股丝材进行预热处理，能够改善难熔高熵合金绞股丝材在电弧增材制造工艺中的晶粒直径，从而提高难熔高熵合金绞股丝材与基材的结合效果；然后量预热后的高熵合金丝材利用复合丝材电弧增材制造工艺在步骤S2-2所得基材上电弧熔覆成型厚度为1.5mm的抗高温摩擦磨损高熵合金涂层；其中，电弧熔覆成型在氩气氛围下进行，气体流速为14L/min，电弧熔覆设备熔覆电压为23V，熔覆电流为165A，电弧长度为2.2mm，送丝速度为5.5m/min，熔覆速度为0.4m/min；最后利用钨极氩弧焊设备对高熵合金涂层进行加热重熔处理，控制钨极氩弧焊设备电弧电流90A,电弧电压16V，通过对高熵合金涂层进行重熔处理，能够消除电弧熔覆成型后高熵合金涂层中的气孔和夹渣，从而提高高熵合金涂层的致密性和抗冲击性能。
试验例：分别对本发明实施例1-7所制备的高温摩擦磨损高熵合金涂层进行性能检测，检测结果如表1所示；
表1、不同条件下高温摩擦磨损高熵合金涂层性能检测结果；
Figure BDA0003037297540000121
Figure BDA0003037297540000131
通过表1数据可知，实施例2与实施例1相比，由于在涂层原料中加入Al单质纯金属丝材，使得高温摩擦磨损高熵合金涂层的硬度和结合力得到了进一步提升；实施例3与实施例2相比，由于对绞合焊丝设备的参数进行了控制，以及对难熔高熵合金绞股丝材进行了真空熔炼，硬度和耐磨性得到了进一步提升；实施例4与实施例2相比，由于对基材进行了喷砂处理，同时在基材表面涂抹活性助剂，有利于提高难熔高熵合金绞股丝材与基材焊接时的熔深，进而提高高熵合金涂层与基材的结合强度；实施例5与实施例2相比，由于对难熔高熵合金绞股丝材进行了预热处理，改善了难熔高熵合金绞股丝材在电弧增材制造工艺中的晶粒直径，从而提高难熔高熵合金绞股丝材与基材的结合效果；同时对高熵合金涂层进行重熔处理，能够消除电弧熔覆成型后高熵合金涂层中的气孔和夹渣，从而提高高熵合金涂层的致密性和抗冲击性能；实施例6与实施例2、3、4、5相比，由于涂层原料中未加入Al单质纯金属丝材，对高熵合金涂层性能构成一定影响；实施例7与实施例1-6相比，由于将各优化条件进行了综合，使得所制备的高温摩擦磨损高熵合金涂层性能更加优越。

Claims (10)

1.一种抗高温摩擦磨损高熵合金涂层，其特征在于，包括以下质量百分比的原料：W12.45-42.64％、Mo 7.68-33.68％、Ta 16.36-44.52％、Nb 9.45-26.36％；其中，所述W、Mo、Ta、Nb原料均为各单质纯金属丝材，纯度≥99.95％，直径为0.5-1.0mm，长度为450-500mm。
2.一种抗高温摩擦磨损高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、丝材绞合
分别取W、Mo、Ta、Nb单质纯金属丝材各一根，利用绞合焊丝设备制备难熔高熵合金绞股丝材；其中设备绞合过程中收丝速度为5-10m/min，绞距为5-15mm；
S2、基材处理
S2-1、以镍基高温合金板材作为基材，将所述基材表面打磨光滑，并去除基材表面油膜，然后将基材置于120-250℃条件下，干燥0.5-1.5h后备用；
S2-2、在步骤S2-1处理后的基材表面均匀涂抹活性助剂，所述活性助剂的涂抹厚度为0.2-0.4mm；
S3、电弧熔覆成型
将步骤S1所得难熔高熵合金绞股丝材利用复合丝材电弧增材制造工艺在步骤S2-2所得基材上电弧熔覆成型厚度为0.2-2mm的抗高温摩擦磨损高熵合金涂层；其中，电弧熔覆成型在氩气氛围下进行，气体流速为12-16L/min，所述电弧熔覆设备熔覆电压为14-28V，熔覆电流为90-250A，电弧长度为1.5-3.5mm，送丝速度为4.8-6.5m/min，熔覆速度为0.2-0.6m/min。
3.根据权利要求1所述的一种抗高温摩擦磨损高熵合金涂层，其特征在于，所述涂层原料还包括0.68-1.22wt％的Al单质纯金属丝材，所述Al单质纯金属丝材的纯度≥99.95％，直径为0.5-1.0mm，长度为500-550mm。
4.根据权利要求2所述的一种抗高温摩擦磨损高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，步骤S1完成后，将步骤S1所得难熔高熵合金绞股丝材置入真空熔炼炉的水冷坩埚中，向真空熔炼炉中冲入氦气至炉内压强达到0.01-0.03MPa，并抽真空至炉内真空度达到1×10-3-3×10-3MPa；然后进行引弧熔炼3-5次，随炉冷却至室温后得到高熵合金铸锭；其中熔炼电流为380-540A，每次熔炼时间为30-80s；最后将高熵合金铸锭利用拔丝设备拉拔成直径为2-5mm的高熵合金丝材。
5.根据权利要求2所述的一种抗高温摩擦磨损高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，步骤S3进行之前，将所述难熔高熵合金绞股丝材在280-450℃条件下预热处理1-3小时。
6.根据权利要求2所述的一种抗高温摩擦磨损高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，步骤S1进行时，控制绞合焊丝设备的螺旋升角为40-55°，拉力为7-9N。
7.根据权利要求2所述的一种抗高温摩擦磨损高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，步骤S2-2中，所述活性助剂包括以下重量份的原料：SiO2 20-45份、MnO 15-30份、TiO2 12-19份，活性助剂的制备方法为：分别称取上述重量份的SiO2、MnO、TiO2置入玻璃容器中，然后加入16-25份的二甲基酮，搅拌均匀即可。
8.根据权利要求2所述的一种抗高温摩擦磨损高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，步骤S3完成后，利用钨极氩弧焊设备对高熵合金涂层进行加热重熔处理，控制钨极氩弧焊设备电弧电流40-120A,电弧电压10-24V。
9.根据权利要求2所述的一种抗高温摩擦磨损高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，步骤S2-1完成后，将所述基材在0.5-1.8MPa的压强下进行喷砂处理，控制喷砂角度为45-60°，喷砂距离为80-120mm。
10.根据权利要求2所述的一种抗高温摩擦磨损高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，步骤S3完成后，将所述难熔高熵合金绞股丝材在280-450℃条件下预热处理1-3小时。
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