[发明专利]一种在X80管线钢基材表面制备AlTiCrNiTa高熵合金涂层的工艺

说明书

技术领域

本发明属于表面改性领域，特别涉及一种在X80管线钢基材表面制备AlTiCrNiTa高熵合金涂层的工艺。

背景技术

X80高强度管线钢被认为是未来天然气输送管线的首选钢，具有广阔的应用前景。目前，我国在西气东输工程支线上已经铺设了1条长度为7.9km的X80管线。然而，土壤腐蚀环境具有多样性、不流动性、不均匀性、时间季节性和地域性等特征，导致X80钢发生均匀腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀开裂等，对管道安全运行造成极大隐患。因而，对X80管线钢表面改性提高其耐腐蚀能力的研究有重要意义。

材料表面合金化一直以来是金属表面防腐的重要手段。其中，Al、Cr、V、Si、Zn等的表面合金化层应用较为广泛。然而，面对更为复杂的土壤环境和对材料表面硬度、耐热等多种性能要求的提高，应用于表面改性的传统合金面临严峻的挑战。叶均蔚教授于1995年首次提出新的合金设计理念—多组元高熵合金，该合金至少由5种主要元素构成，其中每种主元素含量介于5at.％至35at.％。研究发现，它具有明显区别于传统合金的性能特点，具有极高的硬度、耐温性和耐蚀性。在硬度表现方面，铸态下通过对高熵合金元素原子比的调配可得到从HV600到HV900高硬度合金，甚至比完全淬火硬化的碳钢或者合金碳钢更高；在耐温性方面，在高达1000℃的高温条件下，高熵合金的抗高温软化表现也远优于碳钢（550℃），甚至超过许多有色金属；尤其在耐蚀性方面，高熵合金抗腐蚀能力十分突出，优于常用的304不锈钢。此外，高熵合金在高耐磨抗性与抗氧化性能方面也有十分突出的表现。显然，高熵合金是集高硬度、高耐热性、强耐蚀性、高耐磨抗性、抗氧化性等诸多性能于一体的新型合金，有别于现有的任何传统合金。将其用于金属材料的表面改性具有极高的学术研究意义和工业发展潜力。

研究表明高熵合金具有优异的耐蚀性能，如：Cu_0.5NiAlCoCrFeSi在0.5mol/L H₂SO₄ 溶液中耐腐蚀性优于常规的304不锈钢，在288℃高温水溶液中具有较宽的钝化范围和较低的腐蚀率，适合用于高温水环境中耐腐蚀结构材料；对Co_1.5CrFeNi_1.5Ti_0.5Mox合金的研究也发现其在0.5 mol/L H₂SO₄溶液中以活性-钝化腐蚀方式获得优异的耐腐蚀性，而合金中Mo元素含量的增加会导致合金耐腐蚀性能下降；台湾的YuJui Hsu 等对FeCoNiCrCux 高熵合金腐蚀行为进行了研究，发现在3.5wt.％的NaCl 溶液中，FeCoNiCrCu_0.5 和FeCoNiCrCu 的主要腐蚀类型是由于富含铜的枝晶间位置和枝晶形成微电流而发生的电化学腐蚀，从而导致局部腐蚀，随着Cu含量的增大，腐蚀会随之加剧；同时，桂林电子科技大学的李伟等人研究发现AlFeCuCoNiCrTix在0.5 mol/ L 的H₂SO₄溶液中的，与304 不锈钢相比，该系合金具有较低的腐蚀速率；在1 mol/ L 的NaCl 溶液中，该系合金的腐蚀速率与304 不锈钢相当，但是其抗孔蚀的能力要优于304不锈钢。清华大学Xiaoyang Ye等人研究发现AlxFeCoNiCuCr 在0.05mol/L HCl 溶液中耐腐蚀性能优于314L不锈钢。

然而，值得关注的是以上研究涉及的高熵合金集中在块体材料，对于具有纳米或微米尺度的涂层耐腐蚀性能，却很少涉及。最近几年，材料尺度与材料性能的密切相关性，已经被很多研究证实，如非晶涂层的拉伸塑性，金属孪晶变形的尺寸效应等。已有少数研究者证实了纳米或微米尺度高熵合金涂层具有高热稳定性和高硬度。这些都在暗示涂层态的高熵合金耐腐蚀性能可能有别于相应的块体材料。此外，在防腐蚀高熵合金的制备方法上还相对单一，主要集中于传统的熔融制备方法，而对具有工业应用前景、低污染、环境友好的等离子体制备方法，如磁控溅射和多弧离子镀，却鲜有研究者尝试。高熵合金涂层化制备的研究缺乏，直接导致了它作为表面改性涂层在诸多领域应用的限制，如发动机气缸内壁、兵器内外表面、燃气轮机的涡轮叶片、海上飞机发动机及其改型的舰船动力机等。因此，研究高熵合金在纳米或微米厚度的耐腐蚀性能，探索等离子沉积工艺制备的高熵合金耐腐蚀涂层，具有工业应用基础的新型耐腐蚀合金涂层将有重要科学意义和工程应用价值。

发明内容