水泥回转窑托轮表面用高熵合金粉体、制备及其涂层制备的制作方法

本发明涉及金属粉体材料及材料表面处理和强化技术领域，尤其涉及一种水泥回转窑托轮表面用高熵合金粉体及其制备方法，以及用其制备涂层的方法。

背景技术：

目前，水泥行业使用的大中型回转窑，需要使用多个托轮来支承回转窑及物料的全部重量，并使窑筒体在托轮上安全平稳地运转，所以托轮的使用状况严重影响着回转窑的运行情况。回转窑托轮的材质大部分是ZG35CrMo，由于长期处于高温、重负荷等恶劣工况下，运转中会发生点蚀性剥落或疲劳性的损坏，从而使其径向表面被磨成凹形，严重影响了回转窑的正常运行。为了改善托轮磨损面，需要将托轮径向面两端的凸台处理掉，以前将托轮架到车床上进行车削。该方法虽然可以将托轮表面修理得较为理想，但是修理工期长，企业不仅要支付昂贵的托轮拆装及加工费用，同时还要承受回转窑被迫停产带来的较大经济损失。因此,在不拆装水泥回转窑托轮的情况下，选择合适的耐磨金属粉体材料和恰当的涂覆工艺在托轮表面制备耐磨涂层，使托轮表面的耐磨合金涂层与基体结合强度高、耐磨性能好、合金涂层具有均匀的厚度，不仅可以节省费用，还能减少损失，也是保证回转窑正常运转的当务之急。

现有的修复技术主要有电镀、堆焊、补焊以及热喷涂等为代表的传统表面技术，中国专利CN101191225B采用热喷涂技术对高炉炉顶煤气压力能量回收透平机表面进行处理，喷涂一层成分质量百分比为：C≤0.5、Cr 16～26、Ni 3.5～9.5、Mo 1.0～4.0、B 0.5～4.5、Si 0.5～4.5、Cu 1.0～4.0、Mo 0～2.0、稀土RE 0.01～1.5、余量为Fe的防腐耐磨涂层，该涂层很好地解决了在酸性潮湿环境中特别是有Cl^-离子和粉尘颗粒存在下的腐蚀磨损问题。但是喷涂粉体仅仅是将各种金属粉体物理混合，而且采用热喷涂法修复时，涂层结合一般为机械结合，结合强度较低，长时间运行后依然容易受损剥落。中国专利CN 101637838 B提供了一种用渗透钎焊法制备碳化钨耐磨蚀复合涂层的方法，该方法首先将含有WC-Co、Ni、Cr混合粉的涂层金属粉末布用环氧树脂黏贴剂黏贴在金属基体上，然后将BNi-2钎焊料制备成钎料金属粉末布黏贴在金属粉末布上，最后在真空炉中进行渗透钎焊，形成冶金结合的碳化钨耐磨涂层。但是钎焊、堆焊、补焊等修复方法时，由于基体受热不均匀，温度场梯度大，容易引起较大焊接残余应力与变形，甚至会引起焊接保护层开裂甚至形成贯穿裂纹，导致涂层脱落。随后以激光熔覆技术为标志的现代表面技术引起了人们的广泛关注，中国专利CN 102453897 B采用激光熔覆技术在棒材表面形成碳化物硬质合金耐磨涂层；中国专利CN 101210325 B利用高能激光束对涂覆于热锻模具表面的纳米陶瓷粉+碳纳米管+钴+粘结剂涂层进行扫描处理，制备了纳米复合耐磨涂层。中国专利CN103866319 B在锆合金表面利用激光熔覆的方法制备了镍基耐热耐磨涂层，镍基合金粉的组成为：C 0.5～1.1％，Si 3.5～5.5％，B 3.0～4.5％，Cr 15～20％，Fe≤17％，Ni余量。该阶段不论是制备技术还是涂层性能都有了巨大的优势，但是普遍存在成本高、灵活性差等局限性，从而制约了向工程实践的转化。

上述各种耐磨涂层都是采用不同的表面技术在基体表面涂覆上镍基、钴基等高温合金涂层来提高基体的耐磨性，此类合金一般Ni、Co含量较高，价格较贵。多组元高熵合金比传统高温合金具有更高的强度、硬度、抗磨损能力、耐腐蚀能力以及抗高温氧化能力，且价格相对镍基、钴基高温合金要低廉。目前关于高熵合金粉体的制备一般采用研钵研磨、球磨和二步雾化法，如中国专利CN103394685B和天津大学申请的CN104141085A、CN104141084A和CN105401042A一系列专利都是采用研钵研磨各种混合粉体制备高熵合金粉体；中国专利CN1033290404A、CN104841930A和CN105401038A采用球磨法制备高熵合金粉体。上述研钵研磨和球磨法所制备的高熵合金粉体一方面所采用的原料都是金属粉体，价格贵；另一方面制备的粉体不仅氧化量较高，而且由于不同金属元素的密度等热物理性能存在差异，粉体组分的均匀性仍然存在欠缺，使得后续通过各种方法制备的涂层质量和表面连续性无法满足生产使用要求。中国专利CN104561878A采用真空熔炼炉熔炼高熵合金铸棒-自耗式电极雾化二步法制备高熵合金粉体，提高了所制粉体组分的均一性，但是二步法(先制备高熵合金铸锭，然后在通过雾化制粉)制备的高熵合金粉体，步骤复杂、能耗高，且第一步制备出来的高熵合金母体表面易形成一层氧化物薄膜。

技术实现要素：

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种水泥回转窑托轮表面用高熵合金粉体及其制备方法，以及用其制备的涂层，所述合金粉体结构为简单的面心和体心结构、粒度可控、组分均一、含氧量低、球形度高、产率大、质量稳定；制备方法环境污染小，步骤简单、能耗低；所得涂层耐磨性和抗疲劳性好，同时与基体的结合强度较高，在使用的过程中不易脱落，显著提高了修复后托轮的耐磨性。

本发明提出的一种水泥回转窑托轮表面用高熵合金粉体，其化学成分按重量百分比包括：Fe：18-20％、Al：17-19％、Cr：17-19％、Mn：19-20％、Ni：19-21％、W：2.8-4％、B：0.6-0.8％、C：1.0-2％。

优选地，其化学成分按重量百分比包括：Fe：19％、Al：17.2％、Cr：18.3％、Mn：19.3％、Ni：19.9％、W：4％、B：0.7％、C：1.6％。

本发明还提出的一种所述水泥回转窑托轮表面用高熵合金粉体的制备方法，包括以下步骤：

S1、按配比称取铁锭、铝锭、铬锭、锰锭、镍锭、金属钨、镍硼合金和碳粉，按熔点由低到高的顺序依次加入中频感应熔炼炉中，抽真空至1-1.5×10^-3MPa，然后充入氩气，在氩气压力为1.1个大气压的条件下熔炼60-80min得到金属液体；

S2、将金属液体送入中间包，然后经喷嘴进入雾化设备中进行气雾化得到所述水泥回转窑托轮表面用高熵合金粉体。

优选地，在S2中，金属液体通过导流管送入中间包，且导流管的温度为700-750℃。

优选地，在S2中，金属液体通过喷嘴的速度为8-10Kg/min。

优选地，在S2中，在气雾化的过程中，气雾化的压力为3-4MPa，所采用的气体为氩气，且氩气的流速为320-340m/s。

优选地，在S2中，在气雾化结束后还包括将产物冷却，然后在压力为1.1个大气压的氮气的保护下筛分，使产物的粒径在-200～600目之间，得到所述水泥回转窑托轮表面用高熵合金粉体。

优选地，所述水泥回转窑托轮表面用高熵合金粉体的制备方法，包括以下步骤：

S1、按配比称取铁锭、铝锭、铬锭、锰锭、镍锭、金属钨、镍硼合金和碳粉，按熔点由低到高的顺序依次加入中频感应熔炼炉中，抽真空至1.2×10^-3MPa，然后充入氩气，在氩气压力为1.1个大气压的条件下熔炼70min得到金属液体；

S2、将金属液体通过导流管送入中间包，且导流管的温度为720℃，然后经喷嘴进入雾化设备中进行气雾化，其中，金属液体通过喷嘴的速度为9Kg/min，在气雾化的过程中，气雾化的压力为3.5MPa，所采用的气体为氩气，且氩气的流速为330m/s；将产物冷却，然后在压力为1.1个大气压的氮气的保护下筛分，使产物的粒径在-200～600目之间，得到所述水泥回转窑托轮表面用高熵合金粉体。

本发明还提出的一种所述水泥回转窑托轮表面用高熵合金粉体制备水泥回转窑托轮表面耐磨高熵涂层的方法，包括以下步骤：将水泥回转窑托轮表面进行预处理，清除表面的油污，然后采用空气动力喷砂进行粗化处理，获得清洁和粗糙的表面，采用超音速火焰喷涂将所述水泥回转窑托轮表面用高熵合金粉体喷涂在基体的表面得到所述涂层，其中，超音速火焰喷涂工艺参数为：喷涂距离为30-35cm，送粉速率为45-60g/min，空气压力为130-150磅/平方英寸，空气流量为1800-1850L/h，丙烷压力为100-120磅/平方英寸，丙烷流量为300-350L/h。

优选地，在超音速火焰喷涂后还包括将涂层进行火焰重熔。

本发明所述水泥回转窑托轮表面用高熵合金粉体以FeAl₂CrMnNi高硬度耐腐蚀性较好的高熵合金为基础合金，添加了C、W和B元素，并控制了各元素在体系中的比例，实现了充分发挥各元素的最大性能的作用，赋予合金粉体优异的综合性能，使得到的合金涂层具有优异的耐磨性和抗疲劳性，且与基体的结合强度高；具体地，添加C元素的作用是与合金元素形成各种类型的碳化物，提高涂层的硬度和耐磨性，并控制了C的含量，防止了因C含量太高引起的脆性大以及C含量太低引起的硬度低和耐磨性差的缺陷；W是强碳化物形成元素，添加W元素不仅能增加碳化物量，而且还能细化碳化物，增强碳化物的稳定性；添加B主要是为了获得更高硬度的铁铬硼化物。

本发明中的制备方法采用一步法，与现有的先制备高熵合金铸锭，然后再通过雾化制粉的二步法相比，具有环境污染小，步骤简单、易于控制，能耗低的特点，得到的粉体FeAl₂CrMnNiC_0.4B_0.2W_0.05结构为简单的面心和体心结构、粒度可控、组分均一、含氧量低、球形度高、产率大、质量稳定，适合大规模工业生产。

在涂层的制备过程中，采用了超音速火焰喷涂技术，得到的涂层具有优异的耐磨性和抗疲劳性，同时与基体的结合强度较高，无需制备过渡层。

附图说明

图1为本发明实施例1制得的水泥回转窑托轮表面用高熵合金粉体的XRD图片；

图2为本发明实施例1制得的水泥回转窑托轮表面用高熵合金粉体的SEM图片。

具体实施方式

下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例1

本发明提出的一种水泥回转窑托轮表面用高熵合金粉体，其化学成分按重量百分比包括：Fe：19％、Al：19％、Cr：18％、Mn：19％、Ni：20.4％、W：3％、B：0.6％、C：1％。

本发明还提出的一种所述水泥回转窑托轮表面用高熵合金粉体的制备方法，包括以下步骤：

S1、按配比称取19公斤铁锭、19公斤铝锭、18公斤铬锭、19公斤锰锭、17.15公斤镍锭、3公斤金属钨、3.85公斤镍硼合金和1公斤碳粉，按熔点由低到高的顺序依次加入中频感应熔炼炉中，抽真空至1.5×10^-3MPa，然后充入氩气，在氩气压力为1.1个大气压的条件下熔炼60min得到金属液体；

S2、将金属液体通过导流管送入中间包，且导流管的温度为700℃，然后经喷嘴进入雾化设备中进行气雾化，其中，金属液体通过喷嘴的速度为9Kg/min，在气雾化的过程中，气雾化的压力为3.5MPa，所采用的气体为氩气，且氩气的流速为330m/s；将产物冷却，然后在压力为1.1个大气压的氮气的保护下筛分，使产物的粒度在60-120微米，得到所述水泥回转窑托轮表面用高熵合金粉体；所述粉体的球形度较好，氧含量为120ppm。

本发明还提出的一种所述水泥回转窑托轮表面用高熵合金粉体制备水泥回转窑托轮表面耐磨高熵涂层的方法，包括以下步骤：将水泥回转窑托轮表面进行预处理，清除表面的油污，然后采用空气动力喷砂进行粗化处理，获得清洁和粗糙的表面，采用超音速火焰喷涂将所述水泥回转窑托轮表面用高熵合金粉体喷涂在基体的表面，然后进行火焰重熔得到所述涂层，其中，超音速火焰喷涂工艺参数为：喷涂距离30cm，送粉速率50g/min，空气压力130磅/平方英寸，空气流量1800L/h，丙烷压力120磅/平方英寸，丙烷流量为300L/h；涂层的厚度为410μm，硬度为1460HV。本实施例制备的耐磨喷涂层与ZG35CrMo材质对磨2h的耐磨性是ZG35CrMo材料的3倍。

图1为本实施例制得的水泥回转窑托轮表面用高熵合金粉体的XRD图片；由图1可知，合金粉体的纯度高。

图2为本实施例制得的水泥回转窑托轮表面用高熵合金粉体的SEM图片；由图2可知，所述粉体的球形度好。

实施例2

本发明提出的一种水泥回转窑托轮表面用高熵合金粉体，其化学成分按重量百分比包括：Fe：18％、Al：17.7％、Cr：19％、Mn：20％、Ni：19％、W：4％、B：0.8％、C：1.5％。

本发明还提出的一种所述水泥回转窑托轮表面用高熵合金粉体的制备方法，包括以下步骤：

S1、按配比称取18公斤铁锭、17.7公斤铝锭、19公斤铬锭、20公斤锰锭、14.7公斤镍锭、4公斤金属钨、5.1公斤镍硼合金和1.5公斤碳粉，按熔点由低到高的顺序依次加入中频感应熔炼炉中，抽真空至1.2×10^-3MPa，然后充入氩气，在氩气压力为1.1个大气压的条件下熔炼80min得到金属液体；

S2、将金属液体通过导流管送入中间包，且导流管的温度为750℃，然后经喷嘴进入雾化设备中进行气雾化，其中，金属液体通过喷嘴的速度为8Kg/min，在气雾化的过程中，气雾化的压力为3.5MPa，所采用的气体为氩气，且氩气的流速为340m/s；将产物冷却，然后在压力为1.1个大气压的氮气的保护下筛分，使产物的粒度在40-105μm，得到所述水泥回转窑托轮表面用高熵合金粉体；所述粉体的球形度较好，氧含量为110ppm。

本发明还提出的一种所述水泥回转窑托轮表面用高熵合金粉体制备水泥回转窑托轮表面耐磨高熵涂层的方法，包括以下步骤：将水泥回转窑托轮表面进行预处理，清除表面的油污，然后采用空气动力喷砂进行粗化处理，获得清洁和粗糙的表面，采用超音速火焰喷涂将所述水泥回转窑托轮表面用高熵合金粉体喷涂在基体的表面，然后进行火焰重熔得到所述涂层，其中，超音速火焰喷涂工艺参数为：喷涂距离35cm，送粉速率45g/min，空气压力140磅/平方英寸，空气流量1850L/h，丙烷压力110磅/平方英寸，丙烷流量为350L/h；涂层的厚度为520μm，硬度为1420HV。本实施例制备的耐磨喷涂层与ZG35CrMo材质对磨2h的耐磨性是ZG35CrMo材料的3倍。

实施例3

本发明提出的一种水泥回转窑托轮表面用高熵合金粉体，其化学成分按重量百分比包括：Fe：20％、Al：17％、Cr：17％、Mn：19.5％、Ni：21％、W：2.8％、B：0.7％、C：2％。

本发明还提出的一种所述水泥回转窑托轮表面用高熵合金粉体的制备方法，包括以下步骤：

S1、按配比称取20公斤铁锭、17公斤铝锭、17公斤铬锭、19.5公斤锰锭、17.2公斤镍锭、2.8公斤金属钨、4.5公斤镍硼合金和2公斤碳粉，按熔点由低到高的顺序依次加入中频感应熔炼炉中，抽真空至1.5×10^-3MPa，然后充入氩气，在氩气压力为1.1个大气压的条件下熔炼70min得到金属液体；

S2、将金属液体通过导流管送入中间包，且导流管的温度为720℃，然后经喷嘴进入雾化设备中进行气雾化，其中，金属液体通过喷嘴的速度为10Kg/min，在气雾化的过程中，气雾化的压力为3.5MPa，所采用的气体为氩气，且氩气的流速为320m/s；将产物冷却，然后在压力为1.1个大气压的氮气的保护下筛分，使产物的粒度在60-145μm微米，得到所述水泥回转窑托轮表面用高熵合金粉体；所得粉体球形度好，氧含量为90ppm。

本发明还提出的一种所述水泥回转窑托轮表面用高熵合金粉体制备水泥回转窑托轮表面耐磨高熵涂层的方法，包括以下步骤：将水泥回转窑托轮表面进行预处理，清除表面的油污，然后采用空气动力喷砂进行粗化处理，获得清洁和粗糙的表面，采用超音速火焰喷涂将所述水泥回转窑托轮表面用高熵合金粉体喷涂在基体的表面，然后进行火焰重熔得到所述涂层，其中，超音速火焰喷涂工艺参数为：喷涂距离32cm，送粉速率60g/min，空气压力150磅/平方英寸，空气流量1800L/h，丙烷压力100磅/平方英寸，丙烷流量为320L/h；涂层的厚度为600μm，硬度为1600HV。本实施例制备的耐磨喷涂层与ZG35CrMo材质对磨2h的耐磨性是ZG35CrMo材料的3.5倍。

实施例4

本发明提出的一种水泥回转窑托轮表面用高熵合金粉体，其化学成分按重量百分比包括：Fe：18％、Al：19％、Cr：17％、Mn：19％、Ni：20.4％、W：4％、B：0.6％、C：2％。

本发明还提出的一种所述水泥回转窑托轮表面用高熵合金粉体的制备方法，包括以下步骤：

S1、按配比称取铁锭、铝锭、铬锭、锰锭、镍锭、金属钨、镍硼合金和碳粉，按熔点由低到高的顺序依次加入中频感应熔炼炉中，抽真空至1.5×10^-3MPa，然后充入氩气，在氩气压力为1.1个大气压的条件下熔炼60min得到金属液体；

S2、将金属液体送入中间包，然后经喷嘴进入雾化设备中进行气雾化得到所述水泥回转窑托轮表面用高熵合金粉体。

本发明还提出的一种所述水泥回转窑托轮表面用高熵合金粉体制备水泥回转窑托轮表面耐磨高熵涂层的方法，包括以下步骤：将水泥回转窑托轮表面进行预处理，清除表面的油污，然后采用空气动力喷砂进行粗化处理，获得清洁和粗糙的表面，采用超音速火焰喷涂将所述水泥回转窑托轮表面用高熵合金粉体喷涂在基体的表面得到所述涂层，其中，超音速火焰喷涂工艺参数为：喷涂距离35cm，送粉速率45g/min，空气压力150磅/平方英寸，空气流量1800L/h，丙烷压力120磅/平方英寸，丙烷流量为300L/h。

实施例5

本发明提出的一种水泥回转窑托轮表面用高熵合金粉体，其化学成分按重量百分比包括：Fe：20％、Al：17％、Cr：19％、Mn：20％、Ni：19％、W：3.2％、B：0.8％、C：1.0％。

本发明还提出的一种所述水泥回转窑托轮表面用高熵合金粉体的制备方法，包括以下步骤：

S1、按配比称取铁锭、铝锭、铬锭、锰锭、镍锭、金属钨、镍硼合金和碳粉，按熔点由低到高的顺序依次加入中频感应熔炼炉中，抽真空至1×10^-3MPa，然后充入氩气，在氩气压力为1.1个大气压的条件下熔炼80min得到金属液体；

S2、将金属液体送入中间包，然后经喷嘴进入雾化设备中进行气雾化得到所述水泥回转窑托轮表面用高熵合金粉体。

本发明还提出的一种所述水泥回转窑托轮表面用高熵合金粉体制备水泥回转窑托轮表面耐磨高熵涂层的方法，包括以下步骤：将水泥回转窑托轮表面进行预处理，清除表面的油污，然后采用空气动力喷砂进行粗化处理，获得清洁和粗糙的表面，采用超音速火焰喷涂将所述水泥回转窑托轮表面用高熵合金粉体喷涂在基体的表面得到所述涂层，其中，超音速火焰喷涂工艺参数为：喷涂距离30cm，送粉速率60g/min，空气压力140磅/平方英寸，空气流量1850L/h，丙烷压力100磅/平方英寸，丙烷流量为350L/h。

实施例6

本发明提出的一种水泥回转窑托轮表面用高熵合金粉体，其化学成分按重量百分比包括：Fe：19％、Al：17.2％、Cr：18.3％、Mn：19.3％、Ni：19.9％、W：4％、B：0.7％、C：1.6％。

本发明还提出的一种所述水泥回转窑托轮表面用高熵合金粉体的制备方法，包括以下步骤：

S1、按配比称取铁锭、铝锭、铬锭、锰锭、镍锭、金属钨、镍硼合金和碳粉，按熔点由低到高的顺序依次加入中频感应熔炼炉中，抽真空至1.2×10^-3MPa，然后充入氩气，在氩气压力为1.1个大气压的条件下熔炼70min得到金属液体；

S2、将金属液体通过导流管送入中间包，且导流管的温度为720℃，然后经喷嘴进入雾化设备中进行气雾化，其中，金属液体通过喷嘴的速度为9Kg/min，在气雾化的过程中，气雾化的压力为3.5MPa，所采用的气体为氩气，且氩气的流速为330m/s；将产物冷却，然后在压力为1.1个大气压的氮气的保护下筛分，使产物的粒径在-200～600目之间，得到所述水泥回转窑托轮表面用高熵合金粉体。

本发明还提出的一种所述水泥回转窑托轮表面用高熵合金粉体制备水泥回转窑托轮表面耐磨高熵涂层的方法，包括以下步骤：将水泥回转窑托轮表面进行预处理，清除表面的油污，然后采用空气动力喷砂进行粗化处理，获得清洁和粗糙的表面，采用超音速火焰喷涂将所述水泥回转窑托轮表面用高熵合金粉体喷涂在基体的表面得到所述涂层，其中，超音速火焰喷涂工艺参数为：喷涂距离33.8cm，送粉速率52g/min，空气压力143磅/平方英寸，空气流量1835L/h，丙烷压力106磅/平方英寸，丙烷流量为328L/h。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。