一种制备高熵合金表面离子渗氮层的方法与流程

本发明涉及一种高熵合金表面离子渗氮层的方法，具体而言是一种高熵合金表面离子渗氮层的制备方法。

背景技术：

离子渗氮是金属材料表面处理领域的重要组成部分，它能赋予零件表面高硬度、耐磨、耐高温、耐腐蚀、抗氧化、抗疲劳、防辐射等多种特殊功能，是提高产品质量、节约能源和资源、获得显著经济效益的一种表面强化方法，在许多领域获得越来越多的广泛应用。

高熵合金是我国台湾学者叶均蔚于上世纪九十年代基于等摩尔比、高混合熵的理念设计的一种新型合金材料，其打破了传统的以一种金属元素为主来配制合金这一设计理念。因而使高熵合金具有一系列优异的性能，如高强度、高硬度、高耐磨性能、优异的抗氧化性能和抗腐蚀性能等。

作为新型合金材料，高熵合金具有许多较传统合金材料优异的性能，应用领域越来越广，因此引起越来越多的工程技术人员的高度重视。在很多领域中，为了进一步探索和改善传统合金材料的表面性能，很多学者通过运用高熵合金材料开发了多种工艺技术对其表面性能进行研究，例如高熵合金涂层。但这些方法不同程度地存在一些不足，影响了它们的应用范围。因此，如何改善高熵合金的表面性能，制备高硬度改性层，提高其耐磨性能是国内外学者关注和研究的热点之一。

到目前为止，对于高熵合金的研究，我国台湾地区处于国际领先水平，特别是台湾清华大学和台湾工研院。我国内地最早研究高熵合金的是吉林大学的蒋青教授，他研究的课题主要为轻质高熵合金。

目前现有的技术采用磁控溅射沉积、电化学沉积和激光熔覆等技术制备高熵合金涂层以及对高熵合金表面镀膜，但是利用这些方法所获得的涂层和镀膜都很薄，并且与基体的结合力不强，极易脱落，很难发挥高熵合金性能方面的优势。

在现有的技术中，有些合金也采用等离子渗氮、离子注入、PCVD/CVD技术在合金表面制备改性层，显著提高了基体的硬度、耐磨性和耐腐蚀性，但是强化层比较薄，性能比较单一，工件容易发生变形，给相关技术的应用带来许多限制。

基于现有技术均是以其他合金为基材，通过制备高熵合金涂层以及镀层来改善基材的性能。为了能够拓展高熵合金的应用领域，发明人开发了以高熵合金为基材来获得表面渗氮层的制备方法。因此，本发明利用LDMC-100A型脉冲离子氮化炉、双辉等离子体渗氮技术首次在高熵合金表面渗氮，制备出具有表面离子渗氮层的高熵合金，使得高熵合金可以在越来越多的领域得到广泛应用。

技术实现要素：

本发明要解决的具体技术问题是发明具有渗层厚、结合强度高、硬度高，而且广泛应用于耐磨性能和耐腐蚀性能要求高的工况条件下的高熵合金表面渗氮层，目的是提供一种制备高熵合金表面离子渗氮层的方法。

为解决上述技术问题而采取的技术方案如下。

一种制备高熵合金表面离子渗氮层的方法，所述方法采用的高熵合金基材的成分为Al_1.3CoCuFeNi₂，按照摩尔比配置，其中，下标代表该成分所占的摩尔分数，未标注下标的即摩尔比为1；或者

所述高熵合金基材的成分为AlCoCrFeNi，按照等摩尔比配置；或者

所述高熵合金材料采用的Al、Co、Cu、Fe、Ni和Cr冶炼原料质量浓度不低于99.9 %；

所述制备高熵合金表面离子渗氮层的方法如下：

（1）将采用的合金冶炼原料Al、Co、Cu、Fe、Ni和Cr元素按照摩尔比进行精确称量配比并净化金属表面氧化物；

将配好的原料置于WK型真空电弧炉的水冷铜模熔炼池中的槽内，抽真空-充氩气，熔炼电流在250安培，时间为30-60秒，待合金充分混合后，将合金块翻转，后将合金锭放入水冷铜模的槽内，调节熔炼电流，待合金熔化均匀后，打开吸铸吸气阀，利用泵内真空进行吸铸，待合金模具冷却后取出，即获得所述高熵合金基材；

（2）将打磨、抛光后的高熵合金基材由超声波清洗机进行清洗，然后将离子氮化炉内零件烘干，纯化炉内真空度；

（3）打开手动放气阀，向炉内充入大气，待炉内外压力一致后，将炉筒吊起，将零件置于阴极盘上进行装炉，后关闭手动放气阀密封；

（4）将炉筒盖好，接通电源，对炉体抽真空至5 Pa，向离子氮化炉内通入高纯度氨气，气压保持在500 Pa，缓慢升高电压，温度升至550 ℃，保温9 h，然后关闭氨气，继续抽真空，随炉冷却，待工件温度降至室温时，关闭冷却水，打开炉体，取出试样。

进一步的技术特征在于：所述向离子氮化炉内通入高纯度氨气的纯度为99.99 %、通入高纯度氨气的流速为0.4 m³/h；所述离子氮化炉采用LDMC-100A型脉冲离子氮化炉在高熵合金表面渗氮。

实现本发明上述所提供的一种制备高熵合金表面离子渗氮层的方法，与现有技术相比，其优点与积极效果在于：通过本发明方法制备的高熵合金表面离子渗氮层具有渗层厚、结合强度高、硬度高、耐磨损和耐腐蚀的优点，而且该制备方法具备渗速快、渗层性能好、工艺变形小以及耗气、耗电少等特点，是无污染、无公害的理想工艺，可广泛应用于耐磨损和耐腐蚀性能要求高的工况条件。

附图说明

图1是本发明高熵合金表面离子渗氮层的制备工艺流程图。

图2是本发明高熵合金表面离子渗氮层试样1的表面扫描图片。

图3是本发明高熵合金表面离子渗氮层试样2的表面扫描图片。

图4是本发明高熵合金表面离子渗氮层试样1的断面扫描图片。

图5是本发明高熵合金表面离子渗氮层试样2的断面扫描图片。

图6是本发明高熵合金表面离子渗氮层试样1在3 N载荷下不同环境中的摩擦系数曲线图。

图7是本发明高熵合金表面离子渗氮层试样2在3 N载荷下不同环境中的摩擦系数曲线图。

图8是本发明高熵合金表面离子渗氮层试样1在3 N载荷下不同环境中磨损后的磨痕截面轮廓图。

图9是本发明高熵合金表面离子渗氮层试样2在3 N载荷下不同环境中磨损后的磨痕截面轮廓图。

图10是本发明高熵合金表面离子渗氮层试样1渗氮层截面成分分布曲线图。

图11是本发明高熵合金表面离子渗氮层试样2渗氮层截面成分分布曲线图。

图12是本发明高熵合金表面离子渗氮层试样1的基本性能表。

图13是本发明高熵合金表面离子渗氮层试样2的基本性能表。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。

实施例1

一种制备高熵合金Al_1.3CoCuFeNi₂表面离子渗氮层的方法，该方法的具体步骤如下：

试样的准备

（1） 加工Al_1.3CoCuFeNi₂试样。采用线切割机加工尺寸为10 mm×10 mm×1.5 mm的样品。

（2） 清理Al_1.3CoCuFeNi₂试样表面。依次用300#、800#、1000#、1500#和2500#不同粒度的SiC砂纸研磨合金试样，然后用粒度为0.5 μm的金刚石抛光膏进行机械抛光至100倍光学显微镜下表面无划痕。最后在酒精内用超声波清洗机清洗吹干待用。

双辉等离子体渗氮

（1） 装炉：打开手动放气阀，往炉内充入大气，待炉内外压力一致后将炉筒吊起，将零件摆放在阴极盘上进行装炉。装炉完毕后，关闭手动放气阀，使离子氮化炉处于良好的密封状态。

（2） 抽真空：将炉筒盖好，接通供电电源，开启“总控”开关，按下“真空泵启”按钮和“真空泵启”按钮，启动真空泵和真空泵，打开蝶阀，对炉体抽真空。

（3） 升温：将炉筒盖好，接通供电电源，对炉体抽真空至5 Pa，通入高纯度氨气，气压保持在500 Pa，缓慢升高温度，炉体温度高于35 ℃，必须开通炉体的冷却水。

（4） 保温：温度升至550 ℃，保温9 h。

（5） 冷却：工件保温结束后，停止通入氨气，继续抽真空，随炉冷却。

（6） 出炉：待工件温度降至室温时，关闭冷却水，给炉体充入空气，待炉内外压力一致时，打开炉体，取出试样。

其表面扫描图片如附图2所示，断面扫描图片如附图4所示，摩擦系数曲线如附图6所示，试样磨损后的磨痕截面轮廓图如附图8所示，渗氮层截面成分分布曲线图如附图10所示，渗层厚度为6 μm，表面离子渗氮层的基本性能如附图12所示。

实施例2

与实施例1不同之处以AlCoCrFeNi为基材进行渗氮，其他步骤相同。

其表面扫描图片如附图3所示，断面扫描图片如附图5所示，摩擦系数曲线如附图7所示，试样磨损后的磨痕截面轮廓图如附图9所示，渗氮层截面成分分布曲线图如附图11所示，渗层厚度为7 μm，表面离子渗氮层的基本性能如附图13所示。