一种钛合金表面耐磨耐蚀高熵合金涂层的制备方法

本发明提供了一种钛合金表面耐磨耐蚀高熵合金涂层的制备方法，属于涂层。

背景技术：

1、钛合金由于其优良的性能，如低密度、高比强度、良好的高温性能和优良的耐腐蚀性，已被广泛用于许多领域，特别是在航空航天和武器领域。ta15合金是一种近α型的钛合金，已经在航空和航天工程中被广泛利用。然而，由于ta15合金的低硬度和高粘度，在摩擦过程中其表面会出现严重的分层和粘着磨损，这限制了它的进一步应用。目前，高熵合金因其独特的性能而备受关注。与传统合金相比，高熵合金表现出优异的综合性能，如高强度、高硬度、良好的耐磨性、优异的耐腐蚀性和优异的高温稳定性，更适合作为涂层材料。

2、元素组成对高熵合金的微观结构和耐磨、耐蚀性能具有重要作用。添加al元素可以细化晶粒以及稳定bcc（体心立方）相结构，添加适量的al元素可以促进涂层相组织由高韧性fcc（面心立方）相到高强度bcc相转变。添加ti元素易促进tio2钝化膜的形成，有利于提高涂层的抗电化学腐蚀性能。此外，ti元素具有较大的原子半径和相对负混合焓，可以有效地溶解到fcc基体中，起到增强固溶强化的作用。目前，大量研究工作者通过加入al和ti制备出性能优异的高熵合金涂层。然而，需要特别注意的是，加入过多的al和ti对合金的强度和韧性是不利的。目前，很多学者已经开始研究非金属元素对高熵合金的微观结构和性能的影响。添加si小原子半径元素同时提高hea（高熵合金）涂层的硬度和韧性。si元素的添加可以抑制晶粒长大，具有细化晶粒的作用。si原子也可以间隙固溶体的形式存在于合金中，晶格常数增大并产生固溶强化，硬度和耐磨性均得到提高。

3、金属增材制造技术的叠层累加制造方式经常会导致复杂的残余应力，容易使打印的涂层产生裂纹缺陷，降低其疲劳强度等力学性能。不同材料中裂纹形成机制存在一定的差异，后处理并不能有效消除裂纹缺陷，因此对裂纹形成的控制和消除是增材制造的难点之一。

4、梯度熔覆涂层可以通过连续的改变材料的成分而避免涂层及基体之间物理性能不匹配，从而获得更低的应力，可以在基材上制备出与基体为良好冶金结合的涂层。然而，梯度熔覆涂层的制备需要多重换粉工序，无疑增加了制备工艺的复杂性且制备涂层较厚，这限制了其实际生产应用。

5、本发明为了降低裂纹萌生的可能性，将基材预热并保持相应温度，采用蛇形往复单层打印方式激光熔化沉积获得涂层，直到沉积结束，其后立马放于马弗炉中，并缓慢冷却至室温，克服了金属增材制造技术因急速冷却而导致涂层中较大的内应力，避免了涂层中裂纹等缺陷的产生。

技术实现思路

1、基于此，本发明提出一种钛合金表面耐磨耐蚀高熵合金涂层的制备方法，将商用al0.5cocrfeniti0.5高熵合金粉末与高纯si单质粉末按9∶1原子比机械混合均匀，利用同步送粉式激光增材制造设备，将粉末通过保护氩气送至基材表面，经激光束直接熔化沉积制得的涂层既耐磨又耐蚀。

2、本发明一种钛合金表面耐磨耐蚀高熵合金涂层的制备方法以al0.5cocrfeniti0.5高熵合金粉末和si单质粉末的混合物作为合金涂层的粉末原料，采用激光熔化沉积技术，在ta15钛合金基材表面，通过蛇形往复单层打印方式，激光打印出高熵合金涂层，具体包括以下步骤：

3、步骤1：涂层粉末的混合

4、al0.5cocrfeniti0.5高熵合金粉末与si单质粉末按9∶1的原子比机械混合均匀，然后在120～140℃温度下真空干燥2～4h，得到合金涂层的粉末；

5、步骤2：钛合金基材预处理

6、选ta15钛合金为打印基材，分别用320目、600目、1000目砂纸打磨基材表面后，放在无水乙醇溶液中超声清洗，其后烘干基材；

7、步骤3：合金涂层激光熔化沉积

8、采用送粉式金属基复材激光快速成型机，将ta15钛合金基材预热至500～550℃，在氩气保护下，将步骤1的合金涂层的粉末送至ta15钛合金基材表面，通过蛇形往复单层打印方式，激光束直接熔化沉积结束后，再置于700～800℃的马弗炉中保温10分钟后，随炉冷却至室温，在ta15钛合金表面得到耐磨耐蚀高熵合金涂层。

9、所述的al0.5cocrfeniti0.5高熵合金粉末的粒径小于25µm。

10、所述的si单质粉末的纯度大于99.9wt%。

11、所述的激光打印参数为：光斑直径为1.5～2.5mm，搭接量为0.8～1.0mm，同步送粉转速为0.1～0.2r/min，送粉气流速为8～10l/min，扫描速度为800～1200mm/min，激光功率为600～1200w。

12、本发明的有益效果：本发明采用激光熔化沉积技术，结合预热基材手段，制备的涂层与基材冶金结合良好，对基材的稀释和热影响区小，降低了涂层在激光打印过程中的温度梯度和残余应力，涂层无气孔及裂纹等缺陷，耐磨耐蚀性能优异，而且通过蛇形往复单层激光打印方式，能够制备超薄涂层，实现涂层厚度可控。

技术特征：

1.一种钛合金表面耐磨耐蚀高熵合金涂层的制备方法，其特征在于：所述的制备方法以al0.5cocrfeniti0.5高熵合金粉末和si单质粉末的混合物作为合金涂层的粉末原料，采用激光熔化沉积技术，在ta15钛合金基材表面，通过蛇形往复单层打印方式，激光打印出高熵合金涂层，具体包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种钛合金表面耐磨耐蚀高熵合金涂层的制备方法，其特征在于：所述的al0.5cocrfeniti0.5高熵合金粉末的粒径小于25µm。

3.根据权利要求1所述的一种钛合金表面耐磨耐蚀高熵合金涂层的制备方法，其特征在于：所述的si单质粉末的纯度大于99.9wt%。

4.根据权利要求1所述的一种钛合金表面耐磨耐蚀高熵合金涂层的制备方法，其特征在于：所述的激光打印参数为：光斑直径为1.5～2.5mm，搭接量为0.8～1.0mm，同步送粉转速为0.1～0.2r/min，送粉气流速为8～10l/min，扫描速度为800～1200mm/min，激光功率为600～1200w。

技术总结
本发明一种钛合金表面耐磨耐蚀高熵合金涂层的制备方法以Al<subgt;0.5</subgt;CoCrFeNiTi<subgt;0.5</subgt;高熵合金粉末和Si单质粉末的混合物作为合金涂层的粉末原料，采用激光熔化沉积技术，在TA15钛合金基材表面，通过蛇形往复单层打印方式，激光打印出高熵合金涂层。本发明采用激光熔化沉积技术，结合预热基材手段，制备的涂层与基材冶金结合良好，对基材的稀释和热影响区小，降低了涂层激光打印过程中的温度梯度和残余应力，涂层无气孔及裂纹等缺陷，耐磨耐蚀性能优异，而且通过蛇形往复单层激光打印方式，能够制备超薄涂层，实现涂层厚度可控。

技术研发人员：陈云瑞,周博,周子翼,彭晓
受保护的技术使用者：南昌航空大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16