一种螺旋桨再制造用耐磨耐蚀高熵合金熔覆层及制备方法

摘要

本发明公开了一种螺旋桨再制造用耐磨耐蚀高熵合金熔覆层及其制备方法，用于熔覆的高熵合金材料组成成分为：FeCoNiCrMnAlxSiy，对基体待熔覆表面进行打磨清理后，采用等离子熔覆设备在基体表面制备高熵合金熔覆层；本发明采用等离子熔覆技术制备的高熵合金熔覆层无孔洞和裂纹等缺陷，熔覆层与基体产生良好的冶金结合，且熔覆层组织致密均匀；熔覆层的硬度、耐磨性和耐蚀性相对于基体明显提升，可满足螺

权利要求

1.一种螺旋桨再制造用耐磨耐蚀高熵合金熔覆层的制备方法，其特征在于：所述高熵合金熔覆层的组成成分及原子比如下：FeCoNiCrMnAlxSiy，其中0.4≤x＜1，0＜y≤0.6，所述制备方法包括如下步骤：(1)粉末制备：采用气雾化法制备FeCoNiCrMnAlxSiy粉末；再将粉末进行干燥处理，设置干燥温度为60‑80℃，时间为6‑8h；

(2)基材处理：用砂纸打磨镍铝青铜基材表面，并用酒精清洗表面，再将基材进行干燥处理；干燥温度为60‑80℃，时间为2‑4h；

(3)熔覆层制备：将FeCoNiCrMnAlxSiy合金粉末装入等离子熔覆设备的送粉器中，用夹具将基材固定，打开熔覆设备进行熔覆，熔覆完成后，于空气中自然冷却，得到高熵合金熔覆层；其中，熔覆过程中所使用的气体均为氩气，熔覆的工艺参数为：熔覆电流100‑105A，熔‑1 ‑1 ‑1覆速度150‑180mm·min ，等离子气流量2‑4L·min ，保护气流量10‑20L·min ，喷嘴距基‑1 ‑1材距离为7‑10mm，送粉气体流量2‑10L·min ，送粉速度20‑30r·min ，焊道搭接2‑10mm。

2.根据权利要求1所述的耐磨耐腐蚀的高熵合金熔覆层的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中采用气雾化法制备FeCoNiCrMnAlxSiy粉末，制备过程中先将金属Co、金属Mn、金属Cr、FeSi合金和NiAl合金按照一定比例熔炼成合金块，再通过高速气流冲击合金块熔体，通过碰撞将气体的动能转化为熔体的表面能，使熔融金属流被击碎成细小的小液滴，然后在气流氛围中快速冷却凝固形成粉末。

3.根据权利要求2所述的FeSi合金和NiAl合金，其特征在于，所述的FeSi合金含有50％硅，所述NiAl合金原子比为1：1。

4.根据权利要求2所述的FeCoNiCrMnAlxSiy高熵合金粉末，其特征在于，所述粉末粒径为30μm～80μm。

5.根据权利要求1所述的耐磨耐腐蚀的高熵合金熔覆层制备方法，其特征在于，所述制备方法制备得到的高熵合金熔覆层质量良好，熔覆层组织致密，无裂纹和孔洞等缺陷。

6.根据权利要求1所述的耐磨耐腐蚀的高熵合金熔覆层制备方法，其特征在于，制备过程中，FeCoNiCrMnAlxSiy合金粉末与镍铝青铜基材发生原位复合反应，形成的熔覆层具有良好的耐磨性和耐腐蚀性，可应用于螺旋桨的修复再制造。

说明书

一种螺旋桨再制造用耐磨耐蚀高熵合金熔覆层及制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及再制造领域，具体涉及一种用于螺旋桨修复的耐磨耐腐蚀高熵合金熔覆层及其等离子制备方法。

背景技术

[0002] 螺旋桨是舰船动力系统核心部件之一，由于常年在高载荷、高腐蚀、高磨损的工况下工作，舰船螺旋桨不仅面临着高速运行导致的空泡腐蚀，还会受到海水腐蚀。其表面发生磨损和腐蚀的现象，大大降低了螺旋桨的使用寿命。因此对螺旋桨的修复再制造具有重要意义。

[0003] 首先由于螺旋桨服役环境严苛，所以要求修复材料具有优异的耐腐蚀性及耐磨性；高熵合金是近年来出现的一种新型合金，具有高强度、高硬度、高耐磨性和耐腐蚀性等优异的性能，具有潜在的工程应用前景。其次考虑到螺旋桨是大型的关键零部件，所以需要一种高效率的修复方法；然而现阶段采用火焰喷涂、电弧喷涂等方式得到的熔覆层还是存在着结合强度低、修复层孔隙率高、修复层应力集中、修复层表面粗糙度大、高温导致材料变性等不足之处，而激光熔覆的成本较高，效率较低，且镍铝青铜基体对激光存在反射作用，熔覆过程中存在一定困难。相比之下，等离子熔覆技术具有成本低、工作效率高、冶金结合性能好等优点，因此采用等离子熔覆技术来制备耐磨耐腐蚀高熵合金熔覆层，来修复螺旋桨。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于解决上述背景技术中提出的问题，提供一种螺旋桨再制造用耐磨耐腐蚀高熵合金熔覆层及其等离子制备方法，制备出的高熵合金熔覆层无缺陷，熔覆层与基体产生良好的冶金结合，且熔覆层组织致密均匀。

[0005] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案是，一种螺旋桨再制造用耐磨耐腐蚀高熵合金熔覆层制备方法，该方法包括如下步骤：

[0006] 1）粉末制备：一种螺旋桨再制造用耐磨耐腐蚀高熵合金熔覆层，其特征在于：组成成分和原子比如下：FeCoNiCrMnAlxSiy，其中0.4≤x＜1，0＜y≤0.6；采用气雾化法制备FeCoNiCrMnAlxSiy粉末，制备过程中首先将金属Co、金属Mn、金属Cr、FeSi合金和NiAl合金按照一定比例熔炼成合金块，再通过高速气流冲击合金熔体，通过碰撞将气体的动能转化为金属熔体表面能，使熔融金属流被击碎成细小的小液滴，然后在气流氛围中快速冷却凝固形成粉末，其粒径为30 μm～80 μm；然后将FeCoNiCrMnAlxSiy粉末放入烘箱中进行烘干处理，设置干燥温度为60‑80℃，时间为6‑8h；

[0007] 2）基材处理：用砂纸打磨镍铝青铜基材表面，并用酒精清洗表面，再将基材进行干燥处理；其中干燥温度为60‑80℃，时间为2‑4h；

[0008] 3）熔覆层制备：将FeCoNiCrMnAlxSiy合金粉末装入等离子熔覆设备的送粉器中，用夹具将基材固定，打开熔覆设备进行熔覆，熔覆完成后，于空气中自然冷却，得到高熵合金熔覆层；其中，熔覆过程中所使用的气体均为氩气，熔覆的工艺参数为：熔覆电流100‑105A，‑1 ‑1 ‑1熔覆速度150‑180mm·min ，等离子气流量2‑4L·min ，保护气流量10‑20L·min ，喷枪距‑1 ‑1
基板距离为7‑10mm，送粉气体流量2‑10L·min ，送粉速度20‑30r·min ，焊道搭接2‑
10mm；

[0009] 本发明的有益效果是：

[0010] 1）本发明制备的高熵合金熔覆层无裂纹和孔洞等缺陷，组织均匀致密，且与基体产生良好的冶金结合。

[0011] 2）本发明采用等离子熔覆技术制备出综合性能优异的高熵合金熔覆层，有效提高螺旋桨表面硬度、耐磨性以及耐腐蚀性。

[0012] 3）本发明得到的熔覆层质量好，能够满足螺旋桨修复再制造的要求，并且本发明成本低，工作效率高。

附图说明

[0013] 图1为具体实施例的熔覆层表面与截面显微组织。

[0014] 图2为具体实施例粉末的XRD物相组成。

[0015] 图3为具体实施例基材与熔覆层的动电位极化曲线图。

具体实施方式

[0016] 为了便于本领域技术人员的理解，下面将结合具体实施例及附图对本发明做进一步的详细说明。

[0017] 实施例高熵合金粉末由Fe、Co、Ni、Cr、Mn、Al、Si粉末组成，其中Fe、Co、Ni、Cr、Mn、Al、Si的摩尔比为：1：1：1：1：1：0.5：0.5。

[0018] 本实例中FeCoNiCrMnAl0.5Si0.5高熵合金熔覆层的制备步骤为：

[0019] 1）粉末制备：采用气雾化法制备FeCoNiCrMnAl0.5Si0.5粉末，制备过程中首先将金属Co、金属Mn、金属Cr、FeSi合金和NiAl合金按照一定比例熔炼成合金块，再通过高速气流冲击合金块熔体，通过碰撞将气体的动能转化为熔体的表面能，使熔融金属流被击碎成细小的小液滴，然后在气流氛围中快速冷却凝固形成粉末，制备的粉末粒径为30 μm～80 μm；然后将FeCoNiCrMnAl0.5Si0.5粉末进行干燥处理，设置干燥温度为80℃，时间为8h；

[0020] 2）基材处理：用砂纸打磨镍铝青铜基材表面，并用酒精清洗表面，再将基材进行干燥处理；其中干燥温度为60℃，时间为2h；

[0021] 3）熔覆层制备：将FeCoNiCrMnAl0.5Si0.5合金粉末装入等离子熔覆设备的送粉器中，用夹具将基材固定，打开熔覆设备进行熔覆，熔覆完成后，于空气中自然冷却，得到高熵合金熔覆层；其中，熔覆过程中所使用的气体均为氩气，熔覆的工艺参数为：熔覆电流103A，‑1 ‑1 ‑1熔覆速度175mm·min ，等离子气流量3L·min ，保护气流量15L·min ，喷枪距基板距离‑1 ‑1
为8mm，送粉气体流量5L·min ，送粉速度23r·min ，焊道搭接4mm；

[0022] 本实施例得到的FeCoNiCrMnAl0.5Si0.5高熵合金熔覆层的质量良好，无裂纹、气孔等缺陷。

[0023] 本实施例对得到的FeCoNiCrMnAl0.5Si0.5高熵合金熔覆层的显微组织进行了研究，结果如图1所示。由图1（a）可以看出FeCoNiCrMnAl0.5Si0.5高熵合金熔覆层显微组织为树枝晶，形状多为菊花状，晶粒大小为10 μm～20 μm，组织分布均匀。图1（b）为熔覆层的截面组织，可以看出熔覆层与基体界面结合处无明显的裂纹和孔洞，界面线呈锯齿状冶金结合，证明熔覆层与基材结合充分。

[0024] 本实施例对FeCoNiCrMnAl0.5Si0.5高熵合金粉末的物相进行了分析，结果如图2所示。可以表明：FeCoNiCrMnAl0.5Si0.5高熵合金粉末物相为简单单一的FCC固溶体结构。

[0025] 本实施例对FeCoNiCrMnAl0.5Si0.5高熵合金熔覆层的耐腐蚀性能进行了测试，结果如图3所示。图3为基材与熔覆层的动电位极化曲线图，通过Tafel外推法计算出‑6 2FeCoNiCrMnAl0.5Si0.5熔覆层和镍铝青铜基材的腐蚀电流密度分别为2.35×10  A/cm 和‑6 2
4.74×10  A/cm ，可以看出熔覆层的腐蚀电流密度小于基体的腐蚀电流密度，且熔覆层的极化曲线存在明显的拐点，说明其产生了钝化，结果表明熔覆层的耐腐蚀性优于基体。

[0026] 本实施例对FeCoNiCrMnAl0.5Si0.5高熵合金熔覆层的摩擦磨损性能进行了测试，结果表明镍铝青铜基体的磨损机制主要为粘着磨损，高熵合金熔覆层的磨损机制主要是磨粒磨损；基体的质量磨损量约为熔覆层的4倍，说明FeCoNiCrMnAl0.5Si0.5高熵合金熔覆层的耐磨性优于镍铝青铜基体。

[0027] 对比实施例1

[0028] 为了进一步说明实施例所述高熵合金粉末的有益性能，制备对比粉末。

[0029] 对比实施例1高熵合金粉末中的Fe、Co、Ni、Cr、Mn、Al、Si的摩尔比为：1：1：1：1：1：0.5：0。

[0030] 本实例中FeCoNiCrMnAl0.5高熵合金熔覆层的制备方法，具体步骤如下：

[0031] 1）粉末制备：是采用气雾化法制备FeCoNiCrMnAl0.5粉末，其形貌为粒径为30 μm～80 μm的球形粉末；再将FeCoNiCrMnAl0.5粉末进行干燥处理，设置干燥温度为80℃，时间为
8h；

[0032] 2）基材处理：用砂纸打磨镍铝青铜基材表面，并用酒精清洗表面，再将基材进行干燥处理；其中干燥温度为60℃，时间为2h；

[0033] 3）熔覆层制备：将FeCoNiCrMnAl0.5合金粉末装入等离子熔覆设备的送粉器中，用夹具将基材固定，打开熔覆设备进行熔覆，熔覆完成后，于空气中自然冷却，得到高熵合金熔覆层；其中，熔覆过程中所使用的气体均为氩气，熔覆的工艺参数为：熔覆电流103A，熔覆‑1 ‑1 ‑1速度175mm·min ，等离子气流量3L·min ，保护气流量15L·min ，喷枪距基板距离为‑1 ‑1
8mm，送粉气体流量5L·min ，送粉速度23r·min ，焊道搭接4mm；

[0034] 上述方法改变了合金粉末成分比例，制备得到的FeCoNiCrMnAl0.5高熵合金熔覆层质量磨损量约为镍铝青铜基材磨损量的6.5倍，可知FeCoNiCrMnAl0.5高熵合金熔覆层的耐磨性能不如具体实施例中的FeCoNiCrMnAl0.5Si0.5高熵合金熔覆层。

[0035] 对比实施例2

[0036] 为了进一步说明实施例所述高熵合金粉末的有益性能，制备对比粉末。

[0037] 对比实施例2高熵合金粉末中的Fe、Co、Ni、Cr、Mn、Al、Si的摩尔比为：1：1：1：1：1：0.5：1。

[0038] 本对比实施例中FeCoNiCrMnSiAl0.5高熵合金熔覆层的制备方法与对比实施例1一致。

[0039] 本对比实施例制备的FeCoNiCrMnSiAl0.5高熵合金熔覆层表面质量很差，熔覆层出现裂纹、气孔等缺陷。