一种制备高熵合金涂层的方法与流程

1.本发明涉及一种制备高熵合金涂层的方法。


背景技术：

2.高熵合金是由五个及五个以上组元按等原子比或接近等原子比组成的合金化合金，这种等比原子形成的多主元效应使其相对于传统合金具有高强韧、高耐腐蚀和耐高温等优良性能，特别是在辐照环境下还具有相稳定性高、缺陷难以积累等优异的抗辐照特性，因此具备诱人的未来先进反应堆结构材料应用的潜力。
3.高熵合金最常用的是采用电弧或感应熔炼技术制备块体材料，但高熵合金内部固溶体的形成需要较高冷却速率，使得这种方法难以形成大尺寸结构件所需的块材，且该方法制备的高熵合金呈现出典型的树枝晶结构，同时含有较多孔洞、孔隙等铸造缺陷，大大的降低了材料的性能；此外，目前相对成熟的合金体系中存在较多贵金属，如：镍、钼和钴等，制备大尺寸的合金成本较高。近年来，为突破以上高熵合金在工程应用中存在的局限性，高熵合金涂层作为相对成熟且低成本的结构材料保护层被广泛研究，已成为高熵合金研究领域的热点。
4.目前高熵合金涂层较为成熟的制备技术为激光熔覆，但该制备方法的过加热速度和冷却速度极快，易产生较大的残余应力，导致再制造工件扭曲变形和涂层开裂，同时激光能量过大导致基体元素稀释到涂层里，涂层元素发生严重偏析；此外，热喷涂技术也可用来制备高熵合金涂层，但该技术制备的涂层是由低结合力的扁平状熔融粒子相互堆砌形成，涂层内缺陷较多；采用磁控溅射技术制备的高熵合金涂层由于与基体之间难以形成良好的化学键合导致附着力较差。


技术实现要素：

5.为解决现有的高熵合金涂层制备方法制备的高熵合金涂层存在缺陷的技术问题，本发明实施例提供一种制备高熵合金涂层的方法，以制备出与基体附着力牢固的高熵合金涂层。
6.本发明实施例通过下述技术方案实现：
7.本发明实施例提供一种制备高熵合金涂层的方法，包括：
8.将含有用于制备高熵合金涂层所需金属元素的金属材料作为离子注入mevva源的阴极材料；
9.通过离子注入的方式在金属基体表面上注入金属材料含有的金属的金属离子，以在基体表面形成合金相涂层。
10.进一步的，所述含有用于制备高熵合金涂层所需金属元素的金属材料含有5-8种金属元素。
11.进一步的，所述含有用于制备高熵合金涂层所需元素的金属材料为金属或金属合金。
12.进一步的，所述通过离子注入的方式在金属基体表面上注入金属材料含有的金属的金属离子，以在基体表面形成合金相涂层，之前，还包括：将对金属基体表面进行清洗预处理。
13.进一步的，所述清洗预处理包括：用丙酮和/或无水乙醇清洗金属基体表面并干燥处理。
14.进一步的，所述金属基体为铁素体不锈钢或马氏体不锈钢。
15.进一步的，含有用于制备高熵合金涂层所需金属元素的金属材料为含有fe、ni、mo、co、cr和ti的金属或金属合金。
16.进一步的，所述离子注入的能量采用阶梯式渐变能量以使不同的元素注入金属基体表面的深度相同。
17.进一步的，所述含有用于制备高熵合金涂层所需金属元素的金属材料中的每种金属元素的含量在10-30％。
18.进一步的，所述含有用于制备高熵合金涂层所需金属元素的金属材料包括如下质量分数的组分：fe 26％、ni 18％、mo 16％、co15％、cr10％和余量的ti。
19.本发明实施例与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
20.本发明实施例的一种制备高熵合金涂层的方法，通过以含有用于制备高熵合金涂层所需金属元素的金属材料作为离子注入mevva源的阴极材料，通过离子注入的方式在金属基体表面上注入金属材料含有的金属的金属离子，以在基体表面形成合金相涂层；解决了现有的高熵合金涂层制备方法制备的高熵合金涂层存在的金属基体和高熵合金涂层结合力较差的缺陷，制备出了与基体附着力牢固的高熵合金涂层。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
22.图1为制备装置的结构示意图。
23.附图中标记及对应的零部件名称：
24.1-进气系统进气接口，2-第一金属阴极，3-第二金属阴极,4-第三金属阴极,5-真空泵抽气接口,6-工作台。
具体实施方式
25.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
26.在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
27.在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味
着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
28.在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
29.实施例
30.为解决现有的高熵合金涂层制备方法制备的高熵合金涂层存在缺陷的技术问题，本发明实施例提供一种制备高熵合金涂层的方法，包括：
31.将含有用于制备高熵合金涂层所需金属元素的金属材料作为离子注入mevva源的阴极材料；
32.通过离子注入的方式在金属基体表面上注入金属材料含有的金属的金属离子，以在基体表面形成合金相涂层。
33.进一步的，所述含有用于制备高熵合金涂层所需金属元素的金属材料含有5-8种金属元素。
34.进一步的，所述含有用于制备高熵合金涂层所需元素的金属材料为金属或金属合金。
35.进一步的，所述通过离子注入的方式在金属基体表面上注入金属材料含有的金属的金属离子，以在基体表面形成合金相涂层，之前，还包括：将对金属基体表面进行清洗预处理。
36.进一步的，所述清洗预处理包括：用丙酮和/或无水乙醇清洗金属基体表面并干燥处理。
37.进一步的，所述金属基体为铁素体不锈钢或马氏体不锈钢。
38.进一步的，含有用于制备高熵合金涂层所需金属元素的金属材料为含有fe、ni、mo、co、cr和ti的金属或金属合金。
39.进一步的，所述离子注入的能量采用阶梯式渐变能量以使不同的元素注入金属基体表面的深度相同。
40.进一步的，所述含有用于制备高熵合金涂层所需金属元素的金属材料中的每种金属元素的含量在10-30％。
41.进一步的，所述含有用于制备高熵合金涂层所需金属元素的金属材料包括如下质量分数的组分：fe 26％、ni 18％、mo 16％、co15％、cr10％和余量的ti。
42.实现本发明实施例方法的装置参考图1所示。
43.制备装置包括装置主体和与装置主体连接的进气系统进气接口1和真空泵抽气接口5；装置主体内设有多个金属阴极，比如金属阴极为3个，即第一金属阴极2、第二金属阴极3和第三金属阴极4；装置主体内设置工作台6，用于放置金属基体进行离子注入。
44.实施例1
45.本实施例选取铁素体为基体，采取单质金属依次注入法制备fecrnimnal高熵合金涂层，制备工艺包含以下步骤：
46.清洗基体材料；
47.将铁素体部件依次放入丙酮、无水乙醇中分别进行15min超声波清洗，并干燥；
48.将清洗干燥后的铁素体/马氏体钢部件放入注入机真空腔室，并将其安装至工装上，露出要沉积涂层的部位。依次开启机械泵和分子泵，抽真空至真空度优于3
×
10-3
pa。
49.采用fe、cr、ni、mn、al五种金属分别作为注入阴极，依次进行注入，注入能量按注入元素不同进行计算选择，为保证均匀性，能量可采用阶梯式渐变能量，使不同的元素注入的深度相同；剂量按元素设计比例进行计算选择，每种元素的质量比例保证在10～30％之间，如：fe26％、ni21％、cr17％、mn16％、al20％。
50.随炉至真空室环境温度降至25℃，即完成高熵合金涂层的制备；
51.拆除工装并取件。
52.实施例2
53.本实施例选取铁素体为基体，采取单质金属依次注入法制备fenimococrti高熵合金涂层，制备工艺包含以下步骤：
54.清洗基体材料；
55.将铁素体部件依次放入丙酮、无水乙醇中分别进行15min超声波清洗，并干燥；
56.将清洗干燥后的铁素体/马氏体钢部件放入注入机真空腔室，并将其安装至工装上，露出要沉积涂层的部位。依次开启机械泵和分子泵，抽真空至真空度优于3
×
10-3
pa。
57.采用fe、ni、mo、co、cr、ti六种金属分别作为注入阴极，依次进行注入，注入能量按注入元素不同进行计算选择，，为保证均匀性，能量可采用阶梯式渐变能量，使不同的元素注入的深度相同；剂量按元素设计比例进行计算选择，每种元素的比例保证在10～30％之间，如：fe26％、ni18％、mo16％、co15％、cr10％、余量为ti。
58.随炉至真空室环境温度降至25℃，即完成高熵合金涂层的制备；
59.拆除工装并取件。
60.实施例3
61.本实施例选取马氏体钢为基体，采取单质金属同时注入法制备fenimococrti高熵合金涂层，制备工艺包含以下步骤：
62.清洗基体材料：将马氏体钢部件，依次放入丙酮、无水乙醇中分别进行15min超声波清洗，并干燥；
63.将清洗干燥后的铁素体/马氏体钢部件放入注入机真空腔室，并将其安装至工装上，露出要沉积涂层的部位。依次开启机械泵和分子泵，抽真空至真空度优于3
×
10-3
pa。
64.采用fe、ni、mo、co、cr、ti六种金属分别作为注入阴极，同时进行注入，注入能量按注入元素不同进行计算选择，，为保证均匀性，能量采用阶梯式渐变能量，使不同的元素注入的深度相同；剂量按元素设计比例进行计算选择，每种元素的比例保证在10～30％之间，如：fe26％、ni18％、mo16％、co15％、cr10％、余量为ti。
65.随炉至真空室环境温度降至25℃，即完成高熵合金涂层的制备；
66.拆除工装并取件。
67.实施例4
68.本实施例选取马氏体钢为基体，采取合金金属单次注入法制备fenimococrti高熵合金涂层，制备工艺包含以下步骤：
69.清洗基体材料：将马氏体钢部件，依次放入丙酮、无水乙醇中分别进行15min超声波清洗，并干燥；
70.将清洗干燥后的铁素体/马氏体钢部件放入注入机真空腔室，并将其安装至工装上，露出要沉积涂层的部位。依次开启机械泵和分子泵，抽真空至真空度优于3
×
10-3
pa。
71.采用feco、nicr、moti三种合金分别作为注入阴极，分别进行注入，注入能量按注入元素不同进行计算选择，，为保证均匀性，能量采用阶梯式渐变能量，使不同的元素注入的深度相同；剂量按元素设计比例进行计算选择，每种元素的比例保证在10～30％之间。
72.随炉至真空室环境温度降至25℃，即完成高熵合金涂层的制备；
73.拆除工装并取件。
74.实施例5
75.本实施例选取马氏体钢为基体，采取合金金属同时注入法制备fenimococrti高熵合金涂层，制备工艺包含以下步骤：
76.清洗基体材料：将马氏体钢部件，依次放入丙酮、无水乙醇中分别进行15min超声波清洗，并干燥；
77.将清洗干燥后的铁素体/马氏体钢部件放入注入机真空腔室，并将其安装至工装上，露出要沉积涂层的部位。依次开启机械泵和分子泵，抽真空至真空度优于3
×
10-3
pa。
78.采用feco、nicr、moti三种合金分别作为注入阴极，同时进行注入，注入能量按注入元素不同进行计算选择，为保证均匀性，能量采用阶梯式渐变能量，使不同的元素注入的深度相同；剂量按元素设计比例进行计算选择，每种元素的比例保证在10～30％之间。
79.随炉至真空室环境温度降至25℃，即完成高熵合金涂层的制备；
80.拆除工装并取件。
81.综上，本发明实施例采用离子注入产生合金相的方法制备高熵合金涂层，由于离子注入可单独控制注入的离子种类、能量和剂量，进而达到可控的金属离子浓度和深度分布；同时，注入元素不受扩散和固溶度限制，可得到其他方法难以获得的新合金相；注入层与基体材料间无明显界面，与基体结合牢固，不存在涂层破裂或剥落问题，还可解决其他制备方法中工件扭曲变形、涂层开裂以及元素偏析等问题。
82.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。