一种TaN增强型高熵合金喷焊层及其制备方法

本发明涉及材料表面改性，尤其涉及一种tan增强型高熵合金喷焊层及其制备方法。

背景技术：

1、高熵合金是一种由五种或五种以上金属按等摩尔比或近似等摩尔比的高浓度结合所产生的独特金属合金，在高构型熵的条件下，形成了单相固溶体结构，在耐腐蚀、耐磨、高硬度、超塑性等方面表现出超乎常规合金的优异性能，在复合喷焊层制备方面能在保证经济实用的前提下发挥优良性能，具有极大发展潜力。

2、目前对于高熵合金的研究与应用主要集中在不同金属组合形成新合金体系、各元素含量对体系性能影响及制备方法上。由于高熵合金块料存在成本较高的问题，因此将其应用至喷焊层作为表面改性技术有着重要的现实意义。在高熵合金喷焊层中添加ta作为增强相，可使其耐腐蚀性能得到极大提高，同时由于原位合成反应可以有效的提升复合喷焊层的综合力学性能。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种tan增强型高熵合金喷焊层及其制备方法，可实现耐蚀性的进一步提高，保护材料延长其使用寿命和性能，并且制备工艺简单，可重复性强。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种tan增强型高熵合金喷焊层的制备方法，包括如下步骤：

4、1)将金属基材预热，除去氧化层后清洗；

5、2)称取金属粉末，真空熔炼后精炼、浇注，得到高熵合金棒材，将高熵合金棒材真空气雾化制粉、过筛、烘干，得到高熵合金基体粉末；

6、3)将高熵合金基体粉末ta粉放入混料机中混合均匀，烘干，得到高熵合金喷焊混合材料；

7、4)利用等离子喷焊设备将高熵合金喷焊混合材料喷焊于预热好的金属基材上，得到tan增强型高熵合金喷焊层。

8、优选的，所述tan增强型高熵合金喷焊层中tan的质量百分比为0.1％～5.0％，高熵合金基体的质量百分比为95％～99.9％。

9、优选的，所述tan增强型高熵合金喷焊层采用原位合成法或非原位合成法制备。

10、优选的，步骤1)所述金属基材为3cr2mo模具钢；所述预热的温度为300～400℃。

11、优选的，步骤2)所述金属粉末为fe、co、ni、cr、mo金属粉末，所述金属粉末的质量百分比为：fe 15.0～20.0％；co 15.0～20.0％；ni 18.0～23.0％；cr 14.0～19.0％；mo25.0～30.0％，各金属粉末的质量百分比之和为100％。

12、优选的，步骤2)所述所述真空熔炼的真空度≤100pa，真空熔炼的时间为3～5h；所述精炼的温度为1500～1600℃，次数为2～5次，每次精炼的时间为2～5h；所述真空气雾化惰性气体为氩气或氮气，真空度≤0.1pa，功率为25～40kw，雾化压力为4～8mpa，棒料转速为15～25rpm；所述烘干温度为90～150℃，烘干时间为4～6h，每2h翻动一次。

13、优选的，步骤2)所述高熵合金粉的纯度在99％以上，粉末的颗粒度为150～325目。

14、优选的，步骤3)所述ta粉的质量百分比为0.1％～5％；所述ta粉的纯度在99％以上，粉末的颗粒度为150～325目；所述烘干的温度为90～150℃，烘干时间为4～6h，每2h翻动一次。

15、优选的，步骤4)所述等离子喷焊设备的参数为：转移弧电压15～18v；转移弧电流130～150a；扫描速度25～30mm/min；等离子弧长度20～22mm；等离子气体流量9～10l/min；保护气体流量2.0～2.5l/min；焊枪上下摆幅：30～60mm；喷距：8～10mm；所述等离子喷焊过程中所使用的离子气、保护气、送粉气均采用氮气。

16、本发明还提供了，一种采取上述制备方法制备的tan增强型高熵合金喷焊层。

17、增强相的选择及实际元素含量是高熵合金喷焊层性能优异的根本保证，本发明主要目的是希望得到耐蚀性能良好的喷焊层，因此选择耐蚀性较好的feconicrmo系高熵合金作为基体，同时添加ta以氮气为保护气体在高温下原位生成tan，其暴露在腐蚀性环境中会形成稳定的表面氧化物层，薄且致密，无针孔，形成牢固化学键，减缓腐蚀速率，在表层发生破坏时还可自固化。同时ta会抑制晶粒成长，合金晶粒尺寸会随ta添加量增加以规则方式减小，细化晶粒，显著的改变了基体的显微组织，起到颗粒增强的作用，使得喷焊层综合性能得到有效的提高。

18、本发明提供的tan增强型高熵合金喷焊层的腐蚀电流密度范围在1.472×10-7～2.131×10-7acm2，小于原有feconicrmo系高熵合金基体；自腐蚀电位-0.132～-0.104vsce，点蚀电位0.548～0.972vsce，两者都高于原有feconicrmo系高熵合金基体，按照中性盐雾试验，本发明中高熵合金喷焊层试样单位面积质量变化为0.287g，相比原有喷焊层明显减少，表明本发明的高熵合金喷焊层具有优异的耐蚀性，可实现耐蚀性的进一步提高，同时ta细化晶粒，强化了综合力学性能，显微硬度及耐磨性相比基底有显著提高，可保护材料延长其使用寿命和性能，并且制备工艺简单，可重复性强。

技术特征：

1.一种tan增强型高熵合金喷焊层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述tan增强型高熵合金喷焊层中tan的质量百分比为0.1％～5.0％，高熵合金基体的质量百分比为95％～99.9％。

3.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，所述tan增强型高熵合金喷焊层采用原位合成法或非原位合成法制备。

4.根据权利要求3所述制备方法，其特征在于，步骤1)所述金属基材为3cr2mo模具钢；所述预热的温度为300～400℃。

5.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于，步骤2)所述金属粉末为fe、co、ni、cr、mo金属粉末，所述金属粉末的质量百分比为：fe15.0～20.0％；co 15.0～20.0％；ni 18.0～23.0％；cr 14.0～19.0％；mo 25.0～30.0％，各金属粉末的质量百分比之和为100％。

6.根据权利要求5所述制备方法，其特征在于，步骤2)所述真空熔炼的真空度≤100pa，真空熔炼的时间为3～5h；所述精炼的温度为1500～1600℃，次数为2～5次，每次精炼的时间为2～5h；所述真空气雾化的惰性气体为氩气或氮气，真空度≤0.1pa，功率为25～40kw，雾化压力为4～8mpa，棒料转速为15～25rpm；所述烘干温度为90～150℃，烘干时间为4～6h，每2h翻动一次。

7.根据权利要求6所述制备方法，其特征在于，步骤2)所述高熵合金粉的纯度在99％以上，粉末的颗粒度为150～325目。

8.根据权利要求7所述制备方法，其特征在于，步骤3)所述ta粉的质量百分比为0.1％～5％；所述ta粉的纯度在99％以上，粉末的颗粒度为150～325目；所述烘干的温度为90～150℃，烘干时间为4～6h，每2h翻动一次。

9.根据权利要求8所述制备，其特征在于，步骤4)所述等离子喷焊设备的参数为：转移弧电压15～18v；转移弧电流130～150a；扫描速度25～30mm/min；等离子弧长度20～22mm；等离子气体流量9～10l/min；保护气体流量2.0～2.5l/min；焊枪上下摆幅：30～60mm；喷距：8～10mm；所述等离子喷焊过程中所使用的离子气、保护气、送粉气均采用氮气。

10.一种权利要求1～9任一项所述制备方法制备的tan增强型高熵合金喷焊层。

技术总结
本发明提供了一种TaN增强型高熵合金喷焊层及其制备方法，属于材料表面改性技术领域。本发明由0.1％～5％的TaN和95％～99.9％的高熵合金基体FeCoNiCrMo组成，采用原位合成法或非原位合成法制备。本发明合金喷焊层的腐蚀电流密度为1.472×10<supgt;‑7</supgt;～2.131×10<supgt;‑7</supgt;Acm<supgt;2</supgt;，自腐蚀电位为‑0.132～‑0.104V<subgt;SCE</subgt;，点蚀电位为0.548～0.972V<subgt;SCE</subgt;，有高腐蚀电位和低腐蚀电流密度，实验检测结果表明其耐蚀性、显微硬度及耐磨性与原有高熵合金基体相比有显著的提高，同时Ta细化晶粒，强化了综合力学性能，并且制备工艺简单，可重复性强。

技术研发人员：孟征兵,崔雅洁,刘新彬,何子迅,吴钒
受保护的技术使用者：桂林理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/25