[发明专利]一种高熵合金/硬质陶瓷协同强化复合涂层及其制备方法

说明书

本发明提出一种高熵合金/硬质陶瓷协同强化复合涂层及其制备方法，以Co、Ni、Mo、B、Cr、Fe元素粉末为原料，采用预置涂层与原位自生法借助激光熔覆处理生成多种三元硼化物硬质陶瓷增强相分布于高熵合金中，利用两者之间的协同作用，结合对三元硼化物的含量的限定，从而使涂层具有强度高、耐磨损、耐腐蚀等优异性能，可以改善常规高熵合金在特殊服役条件下强度不足、组织缺陷等问题。

技术领域

本发明涉及复合涂层技术领域，尤其涉及一种高熵合金/硬质陶瓷协同强化复合涂层。

背景技术

自从二十一世纪初高熵合金的概念被提出后，利用这一高性能合金制备防护涂层的研究一直热度不减。对比传统合金材料，高熵合金材料是由五种或五种以上金属或半金属元素且含量组成的合金材料，每种元素的摩尔含量在 5％-35％范围内。由于高熵合金具有优异的、耐腐蚀、抗断裂等综合特性，其已经成为航空航天等高端精密制造领域的关键材料之一。但同时，航空航天、船舶汽车+等产业的复杂形状关键零部件如发动机叶片、螺旋桨叶片、压力容器等对材料的硬度、耐摩擦磨损、耐腐蚀等综合性能要求更严苛。。

高熵合金涂层的制造工艺主要有热喷涂、磁控溅射、激光熔覆等。热喷涂由于温度和基材等问题形成的涂层与基材之间非冶金结合方式，涂层内部高熵合金组织的成形和均匀度都一般，涂层性能相对较差。磁控溅射是常用的高熵合金制备方法，但其由于靶材的存在，在合金元素熔点差距较大时组织均匀性差，厚度大于1μm易增加内应力使涂层开裂，且靶材低利用率提高了成本，应用严重受限。而研究表明，激光熔覆技术可以得到更加细化且均匀的晶粒，使高熵合金涂层的性能优势基础上得到了进一步优化，如高硬度与耐磨性、卓越的综合力学性能、优异的耐腐蚀性、高热稳定性以及良好的抗氧化性等，同时具有广泛成熟的工业应用，吸引了众多科研和生产领域的关注。但也有研究表明，由于高熵合金粉末中不同种类的金属元素之间及其与基体材料之间密度、熔点、比热和膨胀系数等热物理性能存在较大差异，直接用于激光熔覆一方面难以得到成分均匀的涂层，涂层的成形质量和表面连续性无法满足生产使用要求。

专利CN103290404 B公开了一种高熵合金粉末的配比方法及其激光熔覆合金涂层的制备方法。其在高熵合金粉末Fe、Cr、Ni、Co、Mn五种金属元素中增加了Si、B元素粉末，并通过同步送粉的方式采用CO₂激光器制备得到改性的高熵合金涂层，但其同步送粉会使熔池内部各合金熔合不均匀，影响组织的形成和晶粒分布均匀性，同时涂层的维氏硬度只有450-750HV，仍然无法满足特殊零部件的使用要求。

发明内容

本发明的目的在于提出一种各项性能优并且制造成本低的高熵合金/硬质陶瓷协同强化复合涂层及其制备方法。

为达到上述目的，本发明提出一种高熵合金/硬质陶瓷协同强化复合涂层，以Co、Ni、Mo、B、Cr、Fe元素粉末为原料，生成单一/高熵、二元/高熵、三元/高熵等多种硼化物硬质陶瓷增强相分布于高熵合金中。

进一步的，所述元素粉末的纯度均大于99.9％。

进一步的，涂层的原料中，各相原子份数采用对应摩尔比计算混合为：Mo 10％～25％、Ni 5％～15％、B 10％～25％、Cr 5％～10％、Co 5％～15％和Fe 5％～15％；生成的陶瓷相原子占比不超过60％。

进一步的，所述三元硼化物包括Mo₂NiB₂、MoCoB和Mo₂FeB₂；

所述高熵合金的组成包括金属元素Co、Cr、Ni、Fe和Mo。

进一步的，涂层的物相包括所述三元硼化物、高熵合金以及元素粉末、三元硼化物和高熵合金与涂层的基体材料多维度的熔合。

本发明还提出一种高熵合金/硬质陶瓷协同强化复合涂层的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：通过原位自生法，将原料粉末经过球磨机均匀研磨混合；