一种MnCoCrFeNi高熵合金纳米晶涂层的制备方法与流程

本发明涉及表面工程技术领域，尤其涉及一种mncocrfeni高熵合金纳米晶涂层的制备方法。

背景技术：

采用一定的方法使两种及两种以上的金属或非金属经过混合熔化，冷却凝固后得到的具有金属性质的固体产物称为合金。合金材料的性能往往会高于主要组成元素的单质材料，例如，钢（碳含量介于0.02%-2.00%之间的铁合金）的强度大于铁。合金的物理性质，如密度、导电性、导热性可能尚与合金的组成元素单质性能相似，但合金的抗剪切强度及抗拉强度等力学性能却通常与组成元素单质差异巨大。这是由于合金与组成元素单质中的原子排列有很大的差异。在过去的研究中，人们普遍认为具有三个及以上组元的合金更易形成金属间化合物。直到1995年，台湾清华大学学者叶均蔚提出新的合金设计理念——多元高熵合金。

多元高熵合金一般由5种以上主要元素组成，且每种元素的摩尔含量介于5%~35%。固溶体的形成还需要在选配元素时考虑原子之间的电负性差异，当电负性差异较大时，将形成化合物，故各原子间的电负性不能相差太大。当原子半径相差不大时，高熵合金中易于形成固溶体结构，且结构也趋向于稳定。

mncocrfeni是具有典型的面心立方单一晶体结构的高熵合金，因其优异的低温断裂韧性、抗氢脆性和延展性等而成为当下研究的热点，该类合金还被认为具有极高的相稳定性。面心立方晶体结构的过渡金属mncocrfeni高熵合金体系显示出更高的延展性，但强度更低，这与其晶体系统中固有的滑移系统相关。在这种情况下，探索如何提高mncocrfeni体系高熵合金的强度是该领域的重要课题之一。

亚音速喷涂属于高速火焰喷涂的范畴，该技术可应用最普遍的氧-乙炔作燃烧焰，用空气作加速气、冷却气和送粉气。冷却气带走的热能被巧妙加以利用，它将所携热量带入加速室而变为加速气，在加速室内加速气被进一步加热膨胀，于是在收缩型喷嘴内产生高压，然后以高速离开加速喷嘴形成高速气流。因此，通过热喷涂技术制备mncocrfeni涂层，利用非平衡结晶过程所造成的急速冷却产生的纳米晶强化效应可能成为提高该体系高熵合金强度与抗磨损性能的重要方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种工艺简单、适用于工业化生产的mncocrfeni高熵合金纳米晶涂层的制备方法。

为解决上述问题，本发明所述的一种mncocrfeni高熵合金纳米晶涂层的制备方法，其特征在于：先将基体进行预处理，再利用亚音速火焰喷涂技术，将mncocrfeni高熵合金粉末在乙炔-氧或丁烷-氧燃烧高温火焰中充分熔融后，将熔融的mncocrfeni高熵合金喷涂至预处理后的所述基体表面，即得mncocrfeni高熵合金涂层。

所述基体的材质为各种不同牌号的钢材。

所述预处理是指先采用弱酸性水基除油剂对所述基材表面进行除油，然后依次经抛光除锈、蒸馏水洗涤、丙酮溶液二次洗涤，最后采用刚玉喷砂即可。

所述mncocrfeni高熵合金粉末是指将纯度高于99.9%的mn、co、cr、fe、ni原料按等摩尔或各元素原子百分含量在6~40%之间且总百分含量为100%的比例混合，经电弧熔炼或真空感应熔炼、真空气雾化冷却制成粒度为20~60μm的粉末。

所述亚音速火焰喷涂条件是指乙炔或丁烷压力为0.05~0.20mpa，氧气压力为0.05~0.20mpa，送粉气压力为0.09~0.20mpa，采用连续喷涂或间断喷涂方式，喷涂次数为4~6次，前后两次喷涂间隔2~3s。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明以含有fcc-mncocrfeni相、粒度为20~60μm、纯度＞99.9%的mncocrfeni为原料（如图1所示），通过亚音速火焰喷涂技术，制备出了含有fcc-mncocrfeni相的mncocrfeni高熵合金纳米晶涂层且原位复合了高熵合金氧化物陶瓷相结构，增强了涂层在边界润滑条件下的耐磨损性能（如图2所示）。

2、本发明制备的高熵合金涂层的主体物相具有面心立方结构，且含有氧化物陶瓷增强相，具有高结合强度和优异的减摩抗磨性能，适用于要求抗磨减摩性能良好及在低温环境下工作的部件。

【性能评价】

对本发明所得的mncocrfeni高熵合金纳米晶涂层进行摩擦磨损试验：

采用微动摩擦磨损试验机，摩擦条件采用球-盘往复模式。该mncocrfeni高熵合金纳米晶涂层与市售的直径为10mm的gcr15钢球作为对偶球组成摩擦配副，测试环境为大气，测试条件：载荷为30n，往复频率为45hz，振幅为1mm，润滑剂为液体石蜡。

测试结果如图3所示。由图3可以看出，该涂层的初始摩擦系数为0.30，在10min内大体呈波浪线型下降至0.17~0.18，随后摩擦系数呈现十分缓慢下降或基本不变的变化趋势，在石蜡润滑条件涂层的最低平均摩擦系数为0.188725。同时可以看出，该涂层的磨痕较浅，抗磨性较好，在石蜡润滑条件下磨损体积低至2.187705×10^-3mm³。因此，在石蜡润滑条件下，本发明所得的mncocrfeni高熵合金涂层具有低摩擦系数和良好的抗磨损性能。

3、本发明方法简单，易于实现，可以喷涂在不同零件表面，适合于工业化生产，在机械运动系统抗磨减摩及低温环境中具有潜在的应用前景。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明mncocrfeni高熵合金涂层喷涂用粉末原料mncocrfeni粉的xrd图谱。

图2为本发明mncocrfeni高熵合金涂层xrd图谱。

图3为本发明的mncocrfeni高熵合金涂层在液体石蜡润滑条件下的摩擦系数随时间变化的曲线图。

具体实施方式

一种mncocrfeni高熵合金纳米晶涂层的制备方法：先将基体进行预处理，再利用亚音速火焰喷涂技术，将mncocrfeni高熵合金粉末在乙炔-氧或丁烷-氧燃烧高温火焰中充分熔融后，将熔融的mncocrfeni高熵合金喷涂至预处理后的所述基体表面，即得mncocrfeni高熵合金涂层。

其中：基体的材质为各种不同牌号的钢材，比如45号钢、30crmo、1cr18ni9ti等。

预处理是指先采用弱酸性水基除油剂对基材表面进行除油，然后依次经抛光除锈、蒸馏水洗涤、丙酮溶液二次洗涤，最后采用刚玉（主要成分为熔融白色al2o3颗粒）喷砂即可。

mncocrfeni高熵合金粉末是指将纯度高于99.9%的mn、co、cr、fe、ni原料按等摩尔或各元素原子百分含量在6~40%之间且总百分含量为100%的比例混合，经电弧熔炼或真空感应熔炼、真空气雾化冷却制成粒度为20~60μm的粉末。其具体制备法可按文献公布方法进行：https://cn.made-in-china.com/gongying/bjyb321-kvumwqxajtyc.html；http://www.bjybxc.com/；http://www.xincailiao.com/news/news_detail.aspx_id=562927。如图1所示，mncocrfeni高熵合金粉末为单一的面心立方晶体结构的高熵合金固溶体，其含有fcc-mncocrfeni相，纯度＞99.9%。

亚音速火焰喷涂条件是指乙炔或丁烷压力为0.05~0.20mpa，氧气压力为0.05~0.20mpa，送粉气压力为0.09~0.20mpa，采用连续喷涂或间断喷涂方式，喷涂次数为4~6次，前后两次喷涂间隔2~3s。

实施例1一种mncocrfeni高熵合金纳米晶涂层的制备方法：

将1cr18ni9ti钢基材加工为尺寸为φ24.3mm×7.8mm的圆块试样，随后进行预处理。具体过程如下：先采用弱酸性水基除油剂对基材进行除油，然后依次经抛光除锈、蒸馏水洗涤、丙酮溶剂二次洗涤，最后采用刚玉（主要成分为熔融al2o3白色粉料）喷砂即可。整个洗涤过程均在超声波震荡下进行。

将基材预处理后，利用亚音速火焰喷涂技术，采用y16258型喷枪，将高纯度mncocrfeni粉末熔融，在大气环境中喷涂至基体表面。喷涂主气为乙炔，辅气为氧气；通入乙炔和氧气纯度大于99.99%，送粉气为压缩空气。喷涂所用乙炔压力为0.11~0.13mpa，氧气压力为0.05~0.06mpa，送粉气压力为0.18~0.20mpa，喷涂距离200~400mm，采用间断喷涂方式，喷涂次数为4次，前后两次喷涂间隔2~3s。喷涂完毕即得mncocrfeni高熵合金纳米晶涂层，如图2所示。由图2可以发现，该涂层主要物相为面心立方晶体结构的高熵合金固溶体和少量的高熵合金氧化物陶瓷相；由xrd图谱中衍射峰的宽化情况可推知该涂层物相为纳米晶。

实施例2一种mncocrfeni高熵合金涂层的制备方法：

将基材预处理（具体预处理过程同实施例1）后，利用亚音速火焰喷涂技术，采用y16258型喷枪，将高纯度mncocrfeni粉末熔融，在大气环境中喷涂至基体表面。喷涂主气为丁烷，辅气为氧气；通入丁烷和氧气纯度大于99.99%，送粉气为压缩空气。喷涂所用丁烷压力为0.05~0.06mpa，氧气压力为0.10~0.12mpa，送粉气压力为0.18~0.20mpa，喷涂距离200~400mm，采用间断喷涂方式，喷涂次数为4次，前后两次喷涂间隔2~3s。喷涂完毕即得mncocrfeni高熵合金纳米晶涂层。

在应用时，一旦乙炔或丁烷压力、氧气压力和送粉气压力超出本发明记载的范围，虽然所获涂层的主体结构保持不变，但受熔融状态及氧化物含量的影响，涂层中的孔隙大小、分布、晶格畸变、晶粒尺度等结构特征和抗磨性能将发生大幅变化，在同样的摩擦磨损试验条件下，涂层磨损率将上升为上述实施例所获涂层的5~10倍或更高。