[发明专利]耐磨、耐蚀高熵非晶合金粉末及其涂层、涂层制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种耐磨、耐蚀高熵非晶合金粉末，按原子百分比包括Co 25%，Ni 25%，Cr 15~20%，Mo 5~10%，Nb 2~4%，B 14%和Si 6%。本发明还公开了采用耐磨、耐蚀高熵非晶合金粉末制备的涂层。本发明还公开了涂层的制备方法以及涂层在耐磨、耐腐蚀件中的应用。本发明制备的高熵非晶涂层，在具有较高非晶含量的同时，多道次喷涂热量累计及交替风冷条件促进非晶涂层中析出弥散分布的50~100nm的纳米晶，弥散分布的纳米晶显著提升非晶涂层的断裂韧性。此外，有效的热量累计及交替风冷防止热应力过大导致涂层产生裂纹，进而显著提升涂层结合力及涂层质量。

技术领域

本发明涉及一种耐磨、耐蚀高熵非晶合金粉末及其涂层、涂层制备方法和应用，属于合金技术领域。

背景技术

海洋工程装备关键零部件（如水轮机叶片、海洋钻井平台及油气勘采装备等）主要处于海洋苛刻环境下，容易发生腐蚀损伤、腐蚀磨损，容易导致安全事故发生，对社会经济及海洋生态环境造成不可逆损伤。

为了减少磨损、腐蚀带来的危害和损失，许多国家一直致力于耐磨、防腐方面的研究。工件的磨损、腐蚀首先发生在材料表面处，因此材料的表面是控制磨损、腐蚀的关键，表面质量决定耐磨、抗蚀的效果。等离子喷涂技术因具有涂层孔隙率低、结合强度高、喷涂效率高、涂层结合强度高等特征，已广泛应用于海洋工程装备的再制造，目前，涂层种类主要包括金属基复合涂层、金属陶瓷涂层及非晶合金涂层，其中非晶合金材料因其独特的结构特征使其具有优异的耐蚀、耐磨特性。

高熵非晶合金是一种兼具传统非晶材料结构特征和高熵合金成分特征的新型非晶材料，其热力学的高熵效应和动力学的迟滞扩散效应更加明显，具有析出相生长速率低、黏度高、抵抗原子重组的能力强等特点，使其具有结构简单、成分均匀特征，合金内部无显著元素偏析、区域电势差，使其具有比传统非晶材料更优异的抗点蚀特性。此外，高表面化学反应活性特点促进其表面钝化膜的快速形成和修复，显著降低腐蚀速率。J. B. Cheng和F. Shu等人利用激光熔覆技术制备了FeCoNi-(BSi)、FeCoNiCr-(BSi)和FeCoNiNb-(BSi)系高熵非晶合金涂层（Surface and Coatings Technology, 2020, 402: 126320；Surfaceand Coatings Technology, 2020:126321；Surface and Coatings Technology, 2019,358: 667-675），S. Wen和Q. W. Xing利用磁控溅射薄膜技术制备了NbTiAlW-(SiN)、NbTiAlSiZr-N等高熵非晶薄膜。就材料体系而言，现有的高熵非晶涂层种类有限，而且上述高熵非晶合金材料及涂层制备方法尚未获得具有完全的非晶结构，激光熔覆高熵非晶涂层的非晶含量甚至低于50%，较低的非晶含量难以确保涂层具有优异的耐蚀、耐磨特性。因此，发展面向海洋等苛刻服役环境下高性能、长寿命的先新型耐磨、抗蚀涂层材料已迫在眉睫。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种耐磨、耐蚀高熵非晶合金粉末，该合金粉末通过小尺寸原子B、Si及促进非晶形成元素Mo、Nb的添加使得涂层材料一方面满足热力学条件下的高熵效应，另一方面下具有高的非晶形成能力，确保该类型涂层材料具有更优异的耐磨、耐蚀特性。

同时，本发明提供一种耐磨、耐蚀高熵非晶涂层，该涂层非晶含量≥95%，涂层孔隙率＜0.5%，结合强度＞60MPa，维氏硬度＞700HV，并且其中弥散分布有50~100nm的纳米晶，弥散分布的纳米晶能够显著提升高熵非晶涂层的断裂韧性。

同时，本发明提供一种耐磨、耐蚀高熵非晶涂层的制备方法，该法在具有较高非晶含量的同时，多道次喷涂热量累计及交替风冷条件，促进高熵非晶涂层中析出弥散分布的50~100nm的纳米晶，弥散分布的纳米晶显著提升非晶涂层的断裂韧性；此外，有效的热量累计及交替风冷防止热应力过大导致涂层产生裂纹，进而显著提升涂层结合力及涂层质量；因此，制备的高熵非晶涂层具有高耐磨、高耐蚀特性的同时获得较高韧性。