本发明属于高能束表面处理领域，特别涉及采用等离子熔覆制备高熵合金耐磨复合涂层的方法。
背景技术
在工程机械、航空航天、汽车、地质勘探等工业中，大量零部件处在磨损、腐蚀等条件下，为提高其耐磨性、耐蚀性，通常采用表面改性或制备涂层的方法。其中fe-cr-b-si、ni-cr-b-si、co-cr-b-si等为常用的热喷涂或熔覆合金材料，其增强相为(cr,fe)7c3，其耐磨性、工艺性等较好，固溶有大量的cr使得涂层具有较好的耐蚀性。高熵合金为由五个以上的元素组元组成，并按照接近于等原子比合金化的合金，具有一些传统合金所无法比拟的优异机械性能，如高硬度、高韧性、高耐磨、耐腐蚀性、高强度等，特别适合于制备涂层。采用固溶cr的面心立方结构高熵合金具有良好的耐蚀性和韧性，添加cr7c3作为增强相，具有良好的耐蚀性和耐磨性，为进一步降低初生cr7c3的尺寸，采用超声波辅助熔覆使得cr7c3在凝固过程中打碎已形成的枝晶，在涂层中生成大量的晶核，以及高熵合金的粘滞效应，能够降低凝固过程中cr7c3和面心立方结构晶粒的尺寸，有利于提高涂层的韧性和耐磨性。等离子束是一种电弧能量高度集中低成本的高能束，通过将电弧机械压缩，弧柱温度可达10000-24000k，并且对待熔覆的基体有一定的“挖掘”作用，有利于涂层的均匀，但同时也会熔化部分钢基体导致稀释原先的涂层成分，采用等离子熔覆具有成本低的优势。
技术实现要素：
本发明解决低碳钢表面涂层耐磨性差的缺点，目的是提高低碳钢表面耐磨性、耐蚀性，采用的制作方法包括下述工艺步骤：
步骤一、选取将要强化的低碳钢零件表面作为基体，并对其表面进行预处理，即用砂轮或砂纸打磨表面进行除锈，用酒精或丙酮清除表面的油污。
步骤二、将镍铬硼硅粉、铜粉、低碳铬铁粉和高碳锰铁粉按一定比例用球磨机进行球磨混合，组成混合粉末；其中镍铬硼硅粉成分的质量百分比为cr：14-17，b：2.5-4.5，si：3-4.5，c：0.6-1.0，其余为ni，粒度为30-300μm；铜粉的纯度为99.5-100%，粒度为30-300μm；低碳铬铁粉成分的质量百分比为c：0.1-0.2%，cr：50-70%，其余为fe，粒度为30-300μm；高碳锰铁粉的质量百分比为mn：62-85；c：7.0-8.0；si：1.5-2.5，其余为铁，粒度为30-300μm；混合粉中镍铬硼硅粉、铜粉、低碳铬铁粉和高碳锰铁粉的质量百分比为：10-12：10-12：8-10：10-12。其中的球磨混合是采用钢制球磨罐进行球磨混合，其中的磨球与金属粉质量比为2.5-3.2∶1，密封后打开真空阀抽真空20-30分钟，将球磨罐放入行星式球磨机，转速为260-300r/min，倒向频率30-45hz，进行球磨混料时间为60-80分钟。
步骤三、将混合粉末与压敏胶按一定比例混合制成熔覆粉，将其涂覆到低碳钢基体表面，涂覆厚度为0.8-1.2cm，在100-120℃烘干1.5-2h。
步骤四、采用等离子束在超声波辅助下对熔覆粉加热进行熔覆，冷却后即为耐磨涂层。其中等离子束熔覆工艺参数为：氩气作为保护气及电离气体，熔覆电流为100-160a，工作电压20-40v，扫描速度为3-6mm/s，氩气作为保护气的流量为0.9-1.5m3/h，氩气作为电离的流量为0.7-1.3m3/h，喷嘴距待处理表面的距离为0.7-1.3cm。超声波辅助熔覆装置，在低碳钢基体上安置超声波换能器；在等离子束加热至熔覆粉末开始融化时，超声波换能器启动，低碳钢基体随超声波换能器一起振动，通过超声波振动辅助形成熔覆涂层，直到熔覆完成。超声波换能器连接有超声波发生器，超声波换能器的输出功率为0.2-2kw，超声波换能器工作频率为20-100khz，超声波换能器输出振幅为1-30μm。
本发明的有益效果：
（1）本发明的工艺方法采用高熵合金作为耐磨涂层的基体，能够充分利用其特有的扩散速度慢、对成分变化不敏感的特性，使涂层具有更高的韧性、强度和耐磨性。
（2）本发明所要解决的问题是采用固溶cr的高熵合金涂层，具有较高耐蚀性，作为增强相的cr7c3具有良好的耐磨性。
（3）采用超声波进行辅助熔覆具有形成均匀细小的cr7c3和晶粒细小的特点。
（4）考虑到钢基体的成分主要是fe，在熔覆过程中会因钢基体的熔化增加涂层中的fe含量，从而可以适当降低熔覆粉中fe的添加量，结合熔覆工艺参数，实现了涂层耐磨性、耐蚀性良好的优点。
具体实施方式
实施例1：
步骤一、选取将要强化的q235零件表面作为基体，并对其表面进行预处理，即用砂轮或砂纸打磨表面进行除锈，用酒精或丙酮清除表面的油污；
步骤二、将镍铬硼硅粉、铜粉、低碳铬铁粉和高碳锰铁粉按一定比例用球磨机进行球磨混合，组成混合粉末；其中镍铬硼硅粉成分的质量百分比为cr：14-17，b：2.5-4.5，si：3-4.5，c：0.6-1.0，其余为ni，粒度为30-300μm；铜粉的纯度为99.5-100%，粒度为30-300μm；低碳铬铁粉成分的质量百分比为c：0.1-0.2%，cr：50-70%，其余为fe，粒度为30-300μm；高碳锰铁粉的质量百分比为mn：62-85；c：7.0-8.0；si：1.5-2.5，其余为铁，粒度为30-300μm；镍铬硼硅粉、铜粉、低碳铬铁粉和高碳锰铁粉的质量百分比为：10：10：8：10。其中的球磨混合是采用钢制球磨罐进行球磨混合，其中的磨球与金属粉质量比为2.5∶1，密封后打开真空阀抽真空30分钟，将球磨罐放入行星式球磨机，转速为260r/min，倒向频率45hz，进行球磨混料时间为80分钟。
步骤三、将混合粉末与压敏胶按一定比例混合制成熔覆粉，将其涂覆到低碳钢基体表面，涂覆厚度为0.8cm，在100℃烘干1.5h。
步骤四、采用等离子束在超声波辅助下对熔覆粉加热进行熔覆，冷却后即为耐磨涂层。其中等离子束熔覆工艺参数为：氩气作为保护气及电离气体，熔覆电流为160a，工作电压40v，扫描速度为6mm/s，氩气作为保护气的流量为1.5m3/h，氩气作为电离的流量为1.3m3/h，喷嘴距待处理表面的距离为1.3cm。超声波辅助熔覆装置，在低碳钢基体上安置超声波换能器；在等离子束加热至熔覆粉末开始融化时，超声波换能器启动，低碳钢基体随超声波换能器一起振动，进行超声波振动辅助熔覆涂层，直到熔覆完成。超声波换能器连接有超声波发生器，超声波换能器的输出功率为2kw，超声波换能器工作频率为100khz，超声波换能器输出振幅为30μm。
经实验表明，等离子熔覆涂层形貌光滑、基本无气孔、裂纹等缺陷，涂层组织为晶粒细小、成分均匀的树枝晶组织，并且在fcc的高熵合金基体中分布着细小的cr7c3。涂层的耐磨性为q235钢的4.5倍。
实施例2：
步骤一、选取将要强化的低碳钢q195零件表面作为基体，并对其表面进行预处理，即用砂轮或砂纸打磨表面进行除锈，用酒精或丙酮清除表面的油污；
步骤二、将镍铬硼硅粉、铜粉、低碳铬铁粉和高碳锰铁粉按一定比例用球磨机进行球磨混合，组成混合粉末；其中镍铬硼硅粉成分的质量百分比为cr：14-17，b：2.5-4.5，si：3-4.5，c：0.6-1.0，其余为ni，粒度为30-300μm；铜粉的纯度为99.5-100%，粒度为30-300μm；低碳铬铁粉成分的质量百分比为c：0.1-0.2%，cr：50-70%，其余为fe，粒度为30-300μm；高碳锰铁粉的质量百分比为mn：62-85；c：7.0-8.0；si：1.5-2.5，其余为铁，粒度为30-300μm；镍铬硼硅粉、铜粉、低碳铬铁粉和高碳锰铁粉的质量百分比为：12：12：8：10。其中的球磨混合是采用钢制球磨罐进行球磨混合，其中的磨球与金属粉质量比为3.2∶1，密封后打开真空阀抽真空20分钟，将球磨罐放入行星式球磨机，转速为260r/min，倒向频率30hz，进行球磨混料时间为60分钟。
步骤三、将混合粉末与压敏胶按一定比例混合制成熔覆粉，将其涂覆到低碳钢基体表面，涂覆厚度为0.8cm，在100℃烘干1.5h。
步骤四、采用等离子束在超声波辅助下对熔覆粉加热进行熔覆，冷却后即为耐磨涂层。其中等离子束熔覆工艺参数为：氩气作为保护气及电离气体，熔覆电流为100a，工作电压40v，扫描速度为3mm/s，氩气作为保护气的流量为0.9m3/h，氩气作为电离的流量为0.7m3/h，喷嘴距待处理表面的距离为0.7cm。超声波辅助熔覆装置，在低碳钢基体上安置超声波换能器；在等离子束加热至熔覆粉末开始融化时，超声波换能器启动，低碳钢基体随超声波换能器一起振动，进行超声波振动辅助熔覆涂层，直到熔覆完成。超声波换能器连接有超声波发生器，超声波换能器的输出功率为0.2kw，超声波换能器工作频率为20khz，超声波换能器输出振幅为1μm。
经实验表明，等离子熔覆涂层形貌光滑、基本无气孔、裂纹等缺陷，涂层基本均匀，与不采用超声波辅助相比，采用超声波后涂层的组织更加细小均匀，其中的cr7c3均匀分布于高熵合金基体中。提高硬度约3.6倍，耐磨性提高4.2倍。
实施例3：
步骤一、选取将要强化的低碳钢q275零件表面作为基体，并对其表面进行预处理，即用砂轮或砂纸打磨表面进行除锈，用酒精或丙酮清除表面的油污；
步骤二、将镍铬硼硅粉、铜粉、低碳铬铁粉和高碳锰铁粉按一定比例用球磨机进行球磨混合，组成混合粉末；其中镍铬硼硅粉成分的质量百分比为cr：14-17，b：2.5-4.5，si：3-4.5，c：0.6-1.0，其余为ni，粒度为30-300μm；铜粉的纯度为99.5-100%，粒度为30-300μm；低碳铬铁粉成分的质量百分比为c：0.1-0.2%，cr：50-70%，其余为fe，粒度为30-300μm；高碳锰铁粉的质量百分比为mn：62-85；c：7.0-8.0；si：1.5-2.5，其余为铁，粒度为30-300μm；镍铬硼硅粉、铜粉、低碳铬铁粉和高碳锰铁粉的质量百分比为：11：12：10：11。其中的球磨混合是采用钢制球磨罐进行球磨混合，其中的磨球与金属粉质量比为3∶1，密封后打开真空阀抽真空25分钟，将球磨罐放入行星式球磨机，转速为280r/min，倒向频率40hz，进行球磨混料时间为70分钟。
步骤三、将混合粉末与压敏胶按一定比例混合制成熔覆粉，将其涂覆到低碳钢基体表面，涂覆厚度为1cm，在100℃烘干1.8h。
步骤四、采用等离子束在超声波辅助下对熔覆粉加热进行熔覆，冷却后即为耐磨涂层。其中等离子束熔覆工艺参数为：氩气作为保护气及电离气体，熔覆电流为120a，工作电压30v，扫描速度为4mm/s，氩气作为保护气的流量为1.2m3/h，氩气作为电离的流量为1m3/h，喷嘴距待处理表面的距离为1cm。超声波辅助熔覆装置，在低碳钢基体上安置超声波换能器；在等离子束加热至熔覆粉末开始融化时，超声波换能器启动，低碳钢基体随超声波换能器一起振动，进行超声波振动辅助熔覆涂层，直到熔覆完成。超声波换能器连接有超声波发生器，超声波换能器的输出功率为1kw，超声波换能器工作频率为80khz，超声波换能器输出振幅为20μm。
经实验表明，等离子熔覆涂层形貌光滑、基本无气孔、裂纹等缺陷，涂层基本均匀，与不采用超声波辅助相比，组织更加细小均匀，其中的cr7c3均匀分布于高熵合金基体中，耐磨性提高5倍，耐蚀性较好。