一种宽温域高熵耐磨涂层及其制备方法

本发明涉及先进涂层材料与表面工程，尤其涉及一种宽温域高熵耐磨涂层及其制备方法。

背景技术：

1、高温是机械系统服役最苛刻的工况之一，高性能新材料及先进表面工程技术对推动以航空航天、核能为代表的先进制造业的可持续和创新发展具有重要的引领和支撑作用。近年来，新型的高熵理念为润滑耐磨损涂层材料的设计研发带来新的启发：（1）多组元特征为材料提供更广泛的成分和组织调控空间，促进中低温梯度耐磨层和高温耐磨釉质层的形成（鸡尾酒效应）；（2）热力学高熵、结构晶格畸变和动力学迟滞扩散效应使材料在宽温域内具备优异的热稳定和强韧/塑性组合性能。

2、在宽温域力学性能方面，cr-fe-ni-al-ti高熵合金的设计理念是在fcc结构crfeni合金中引入ti和al元素诱导形成bcc和l21相，从而使合金在室温到900 ºc的温度范围内实现强度和延展性的优异组合，其高温力学性能优于铁素体超合金，并且可以在成本更低的情况下实现与inconel 617/718高温合金相媲美的力学性能（acta materialia,2021, 211:116890; acta materialia, 2021, 216: 117113）。

3、在宽温域耐磨性方面，复合第二相硬质/陶瓷相是提高涂层耐磨损性能最可靠的手段之一，常见的硬质相主要包括氧化物、碳化物等。最近，研究报道了一种单相(hfmonbtati)c高熵陶瓷具有高的硬度、力学性能和宽温域耐磨损性能（trbolologyinternational, 2021, 157: 106883），其可能是一种新型的硬质/陶瓷第二相材料。因此，本发明期望采用该(hfmonbtati)c高熵陶瓷作为增韧抗磨相来制备一种新的耐磨涂层。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种性能优异的宽温域高熵耐磨涂层。

2、本发明所要解决的另一个技术问题是提供该宽温域高熵耐磨涂层的制备方法。

3、为解决上述问题，本发明所述的一种宽温域高熵耐磨涂层，其特征在于：该耐磨涂层为crfenial0.3ti0.3-al-(hfmonbtati)c高熵耐磨涂层，其组分由质量分数为10 %的al，5~20 %(hfmonbtati)c高熵陶瓷相和余量的crfenial0.3ti0.3高熵合金相构成。

4、如上所述的一种宽温域高熵耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤：

5、⑴按照质量比称取crfenial0.3ti0.3高熵合金粉末、al粉末和(hfmonbtati)c高熵陶瓷粉末，置于球磨罐中装入低能球磨机混合均匀，球料比1:2~1:1，时间2~3 h，获得喷涂复合粉末；

6、⑵将金属基体先依次经200目、400目、800目砂纸打磨抛光后进行超声波清洗、烘干，然后采用高压喷砂机对金属基体表面进行粗糙化处理，经超声波清洗、烘干后，即得处理后的金属基体；

7、⑶所述处理后的金属基体于200~400 ℃进行预热处理，即得预热后的金属基体；

8、⑷将nicraly粉末装入送粉器，采用爆炸喷涂工艺在所述预热后的金属基体表面喷涂厚度为90~120 μm的nicraly过渡层；

9、⑸将所述喷涂复合粉末放入送粉器，采用爆炸喷涂工艺在所述nicraly过渡层表面制备厚度为100~450 μm的crfenial0.3ti0.3-al-(hfmonbtati)c耐磨涂层。

10、所述步骤⑴中crfenial0.3ti0.3高熵合金粉末为球形，粒度为10~55 μm。

11、所述步骤⑴中al粉末为球形，粒度为10~65 μm。

12、所述步骤⑴中(hfmonbtati)c高熵陶瓷粉末为不规则颗粒状粉末，粒度为10~35 μm，由10~12.5wt.% hf、10~12.5 wt.% mo、10~12.5 wt.% nb、10~12.5 wt.% ta、10~12.5wt.% ti和37.5~50 wt.% c构成。

13、所述步骤⑵中金属基体是指不锈钢、钛合金和镍基高温合金中的一种。

14、所述步骤⑷中nicraly粉末为球形，粒度为18~63 μm。

15、所述步骤⑵和所述步骤⑷中爆炸喷涂的条件均是指爆炸气体混合氧碳比为1.251:1~1.315:1，燃气成分为乙炔、丙烷，充气量为55 %~65 %，采用脉冲式送粉及点火方式，喷涂频率为2.5~5.5 hz，送粉率为2.5 g/shot，喷涂距离为150~250mm，使用氮气作为送粉载气和保护气体。

16、本发明与现有技术相比具有以下优点：

17、1、本发明采用室温至800 ℃兼具优良强塑性的crfenial0.3ti0.3高熵合金为基体，使得涂层具有优异的宽温域力学性能；选用新型单相(hfmonbtati)c高熵陶瓷作为增韧抗磨相，可有效改善宽温域耐磨损性能；选用al元素一方面可以作为crfenial0.3ti0.3高熵合金和(hfmonbtati)c高熵陶瓷之间的粘结剂，提高涂层的致密度，另一方面有利于高温滑动过程中形成富al2o3的釉质层。

18、2、由于碳化物在高温下易分解，本发明采用爆炸喷涂工艺可有效抑制碳化物分解，保证了(hfmonbtati)c高熵陶瓷在crfenial0.3ti0.3高熵合金中的相结构和化学稳定性。

19、3、本发明制备工艺简单、可控，成本低，可以进行大批量生产，所制备的涂层在25~800 ℃宽温域范围内具备优异的耐磨损性能，在航空航天等高技术领域运动传动部件高温耐磨损应用领域具有重要应用前景。

1.一种宽温域高熵耐磨涂层，其特征在于：该耐磨涂层为crfenial0.3ti0.3-al-(hfmonbtati)c高熵耐磨涂层，其组分由质量分数为10 %的al，5~20 % (hfmonbtati)c高熵陶瓷相和余量的crfenial0.3ti0.3高熵合金相构成。

2.如权利要求1所述的一种宽温域高熵耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤：

3.如权利要求2所述的一种宽温域高熵耐磨涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤⑴中crfenial0.3ti0.3高熵合金粉末为球形，粒度为10~55 μm。

4.如权利要求2所述的一种宽温域高熵耐磨涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤⑴中al粉末为球形，粒度为10~65 μm。

5.如权利要求2所述的一种宽温域高熵耐磨涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤⑴中(hfmonbtati)c高熵陶瓷粉末为不规则颗粒状粉末，粒度为10~35 μm，由10~12.5 wt.%hf、10~12.5 wt.% mo、10~12.5 wt.% nb、10~12.5 wt.% ta、10~12.5 wt.% ti和37.5~50wt.% c构成。

6.如权利要求2所述的一种宽温域高熵耐磨涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤⑵中金属基体是指不锈钢、钛合金和镍基高温合金中的一种。

7.如权利要求2所述的一种宽温域高熵耐磨涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤⑷中nicraly粉末为球形，粒度为18~63 μm。

8.如权利要求2所述的一种宽温域高熵耐磨涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤⑵和所述步骤⑷中爆炸喷涂的条件均是指爆炸气体混合氧碳比为1.251:1~1.315:1，燃气成分为乙炔、丙烷，充气量为55 %~65 %，采用脉冲式送粉及点火方式，喷涂频率为2.5~5.5hz，送粉率为2.5 g/shot，喷涂距离为150~250 mm，使用氮气作为送粉载气和保护气体。