[0001] 本发明涉及复合高熵合金材料制备技术领域，具体涉及一种WC掺杂复合高熵合金高温自润滑涂层的制备方法。

[0002] 热轧板带钢生产线的除鳞辊长期处于高温磨损环境中，其磨损形式主要是金属间黏着磨损和滑动磨损。其在长期使用过程中，辊子表面容易出现剥落和摩损，对应的摩擦副表面，即板坯表面也会产生划伤、变形等缺陷，直接影响成品质量。除鳞辊也会因长期磨损，辊径减小至下限尺寸，无法再继续使用。由于除鳞辊所处高温磨损和强腐蚀等恶劣工况，仅靠外加润滑剂（如润滑油或脂）已无法有效解决摩擦副间的磨损问题。因此。有必要研制具有高温润滑特性的应用在除鳞辊表面的全新涂层，以满足其在严苛摩擦条件下服役寿命。

[0003] 本领域公知，WC具有较高的显微硬度和良好的耐磨性，但其脆性较高，韧性较差，如果直接做为熔覆层很容易出现剥落和掉块。因此，在实际应用中碳化钨经常被用来当做硬质相掺杂在韧性好的基体中使用，目前使用较多是Ni基WC，但WC质量分数一般也都在45wt%以下。这是因为WC脆性较大，WC占比太高会导致脆性相增加，在WC颗粒内部出现裂纹，而高Ni基体无法吸收裂纹产生的能量，导致裂纹扩展至基体，最终扩展至涂层表面，在外部载荷作用下，裂纹相互搭接，形成小块区域，很容易剥落。

[0004] 现有技术中，文献CN108060322B公开了一种硬质高熵合金复合材料的制备方法，步骤包括：选取超硬材料粉、合金元素粉为原料，其中，合金元素粉选自Fe粉、Co粉、Cr粉、Ni粉、Mn粉以及前述任意三种或者三种以上元素组成的合金粉末，超硬材料粉选自WC合金粉、BN粉、金刚石粉中的一种或几种；将选取的原料进行球磨处理，得到细晶粉末，将细晶粉末进行放电等离子烧结，随炉冷却，烧结块体即为硬质高熵合金复合材料。基于该方案制备的硬质高熵合金虽然继承了基体的优良特性，加入的超硬颗粒显著的提高了材料的硬度，使其具备比模具钢更好的综合性能，但其硬质相含量不能高于70％，且并没能有效改善硬质高熵合金复合材料自润滑性能。

[0005] 至少为了解决背景技术中提到的技术问题，特别是在有效防止裂纹产生的同时兼顾高熵合金高温自润滑涂层的自润滑性能，本发明目的在于提供一种WC掺杂复合高熵合金高温自润滑涂层的制备方法。

[0006] 本发明采用了如下技术方案。

[0007] 一种WC掺杂复合高熵合金高温自润滑涂层的制备方法，步骤包括：步骤1，采用气雾法制备平均直径为45‑105μm的FeCoCrNiMn高熵合金粉末；选用直径约为53‑150um的球形WC粉末；
作为优选方案，步骤1中气雾法的工艺为：
按合金比例Fe:Co:Cr:Ni:Mn为1:1:1:1:1的等摩尔比称取各单质金属原料，各自‑3
的纯度≥99.99％，放入熔炼炉中坩埚进行熔炼；熔炼炉真空度为5×10 Mpa，熔炼时间为2‑
3小时；气雾化法中的惰性气体为99.999％超高纯氩气，气雾压力为4MPa～6MPa，气雾化时间为10min～15min；CoCrFeMnNi高熵合金粉末通过振动筛粉机选取粒径为53～105um的高熵合金粉末；
本发明中，气雾化制粉技术具有生产效率高、成本低、直接制备得到球形粉末且球形度较好的优点，已成为金属粉末高效制备的主要方法之一，该方法制备的粉末球形度好、纯净度高、氧含量低，而且粉末的流动性好；
步骤2，将前述两种粉末在80℃下加热干燥2小时，冷却至室温后按预定比例混匀，得粉末混合物；其中，WC占比80 wt %，FeCoCrNiMn高熵合金粉末占比20 wt %；
步骤3，采用等离子堆焊工艺将所得粉末混合物熔覆在钢基体上，得WC掺杂复合高熵合金高温自润滑涂层。

[0008] 进一步地，步骤3中等离子堆焊工艺参数为：焊接电流140‑160A，送粉能力40rad/min，焊接速度170mm/min；采用氩气作为保护气、离子气和供粉气，保护气流量为1L/min，离子气流量为2L/min，供粉气气流量为4L/min。

[0009] 进一步地，将所得WC掺杂复合高熵合金高温自润滑涂层置于600℃的高温环境下进行摩擦磨损处理，摩擦磨损处理的时间为1800s，施加载荷为10N，转速为300r/min，所用氮化硅摩球直径为9.525mm。

[0010] 有益效果：采用本发明中的方案，即使涂层中WC占比为80wt%也不会出现裂纹，该涂层在高温下具有优异的耐磨性，这些WC硬质颗粒极大地增强了基体，有效地抵抗了摩擦磨损；本发明中，涂层表面生成了富含氧化钨和其它金属氧化物的自润滑釉质层，部分剥落的釉质层夹杂在磨擦副之间，被碾成碎屑，在摩擦过程中起到了润滑剂的作用，且在高温作用下的大量游离态碳进入到FCC基体中，对FCC相进行强化，使WC颗粒周边的组织硬度进一步提高；特别是在600℃作用后的涂层表面生成了比较光滑的釉质层，有效抑制了涂层表面的剥落；本发明中，涂层表面的高硬度和润滑剂的协同作用，实现了该涂层的高温自润滑，且在600℃作用后的涂层高温自润滑作用越明显。更关键地是，采用本发明的方案，能够有效改变涂层中的孔隙结构，使得涂层内部形成了多个相互独立的稳定微孔结构，兼顾了高熵合金高温自润滑涂层的自润滑性能。附图说明

[0011]  图1中粉末微观形貌：（a）部分为实施例中FeCoCrNiMn 高熵合金粉末，（b）部分为实施例中WC粉末；图2为实施例1中高熵合金高温自润滑涂层在室温下的XRD结果图；
图3为实施例1中高熵合金高温自润滑涂层在室温下的SEM结果图；
图4为实施例中高熵合金高温自润滑涂层在不同温度下的磨痕形貌：（a1）、（a2）部分对应涂层在常温下处理后的磨痕形貌，（b1）、（b2）部分对应涂层在400℃环境下处理后的磨痕形貌，（c1）、（c2）部分对应涂层在600℃环境下处理后的磨痕形貌；
图5为实施例中高熵合金高温自润滑涂层在不同温度下的摩擦系数。

[0012] 下面结合附图对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例

[0013] 一种WC掺杂复合高熵合金高温自润滑涂层的制备方法，步骤包括：步骤1，采用气雾法制备平均直径为45‑105μm的FeCoCrNiMn高熵合金粉末，这两种粉末的微观形貌如图1所示；选用直径约为53‑150um的球形WC粉末；本实施例中，气雾化法的工艺为：按合金比例Fe:Co:Cr:Ni:Mn为1:1:1:1:1的等摩尔比称取各单质金属原料，各自‑3
的纯度≥99.99％，放入熔炼炉中坩埚进行熔炼；熔炼炉真空度为5×10 Mpa，熔炼时间为2‑
3小时；气雾化法中的惰性气体为99.999％超高纯氩气，气雾压力为4MPa～6MPa，气雾化时间为10min～15min；CoCrFeMnNi高熵合金粉末通过振动筛粉机选取粒径为53～105um的高熵合金粉末；
步骤2，将前述两种粉末在80℃下加热干燥2小时，冷却至室温后按预定比例混匀，得粉末混合物；其中，WC占比80 wt %，FeCoCrNiMn高熵合金粉末占比20 wt %；
步骤3，采用等离子堆焊工艺将所得粉末混合物熔覆在钢（45#）基体上，得WC掺杂复合高熵合金高温自润滑涂层，该涂层的SEM结果如图3所示，WC硬质相镶嵌在延展性较好的FCC相中，并与FCC相相互湿润，结合强度良好。其中，采用沈阳多木公司生产的DML‑VO3AD型等离子熔覆平台，等离子堆焊工艺参数为：焊接电流140‑160A，送粉能力40rad/min，焊接速度170mm/min；采用氩气作为保护气、离子气和供粉气，保护气流量为1L/min，离子气流量为2L/min，供粉气气流量为4L/min；
步骤4，将所得WC掺杂复合高熵合金高温自润滑涂层置于600℃的高温环境下进行摩擦磨损处理（采用美国Rtec多功能摩擦磨损试验机MFT‑5000），摩擦磨损处理的时间为
1800s，施加载荷为10N，转速为300r/min，所用氮化硅摩球直径为9.525mm。
实施例

[0014] 一种WC掺杂复合高熵合金高温自润滑涂层的制备方法，步骤包括：步骤1，采用气雾法制备平均直径为45‑105μm的FeCoCrNiMn高熵合金粉末；选用直径约为53‑150um的球形WC粉末；其中，气雾法的工艺参数同实施例1相应参数；
步骤2，将前述两种粉末在80℃下加热干燥2小时，冷却至室温后按预定比例混匀，得粉末混合物；其中，WC占比80 wt %，FeCoCrNiMn高熵合金粉末占比20 wt %；
步骤3，采用等离子堆焊工艺将所得粉末混合物熔覆在钢（45#）基体上，得WC掺杂复合高熵合金高温自润滑涂层。其中，采用沈阳多木公司生产的DML‑VO3AD型等离子熔覆平台，等离子堆焊工艺参数为：焊接电流140‑160A，送粉能力40rad/min，焊接速度170mm/min；
采用氩气作为保护气、离子气和供粉气，保护气流量为1L/min，离子气流量为2L/min，供粉气气流量为4L/min；
步骤4，将所得WC掺杂复合高熵合金高温自润滑涂层置于400℃的高温环境下进行摩擦磨损处理（采用美国Rtec多功能摩擦磨损试验机MFT‑5000），摩擦磨损处理的时间为
1800s，施加载荷为10N，转速为300r/min，所用氮化硅摩球直径为9.525mm。
实施例

[0015] 一种WC掺杂复合高熵合金高温自润滑涂层的制备方法，步骤包括：步骤1，采用气雾法制备平均直径为45‑105μm的FeCoCrNiMn高熵合金粉末；选用直径约为53‑150um的球形WC粉末；其中，气雾法的工艺参数实施例1相应参数；
步骤2，将前述两种粉末在80℃下加热干燥2小时，冷却至室温后按预定比例混匀，得粉末混合物；其中，WC占比80 wt %，FeCoCrNiMn高熵合金粉末占比20 wt %；
步骤3，采用等离子堆焊工艺将所得粉末混合物熔覆在钢（45#）基体上，得WC掺杂复合高熵合金高温自润滑涂层。其中，采用沈阳多木公司生产的DML‑VO3AD型等离子熔覆平台，等离子堆焊工艺参数为：焊接电流140‑160A，送粉能力40rad/min，焊接速度170mm/min；
采用氩气作为保护气、离子气和供粉气，保护气流量为1L/min，离子气流量为2L/min，供粉气气流量为4L/min；
步骤4，将所得WC掺杂复合高熵合金高温自润滑涂层置于室温环境下进行摩擦磨损处理（采用美国Rtec多功能摩擦磨损试验机MFT‑5000），摩擦磨损处理的时间为1800s，施加载荷为10N，转速为300r/min，所用氮化硅摩球直径为9.525mm。

[0016] 检测实施例中制备的WC掺杂复合高熵合金高温自润滑涂层试样，其在室温下的XRD结果如图2所示。

[0017] 检测实施例中制备的WC掺杂复合高熵合金高温自润滑涂层试样，磨痕形貌结果如图4所示：实施例1中WC掺杂复合高熵合金高温自润滑涂层具有比较光滑、细小的釉质层（图4中灰白色斑块），大量游离态的碳（虚线箭头所指）进入到了FCC基体中，部分剥落的釉质层夹杂在磨擦副之间，被碾成碎屑，在摩擦过程中起到了润滑剂的作用，且涂层内部形成了多个相互独立的稳定微孔结构（图4中b2、c2部分的实心箭头所指）；实施例2中WC掺杂复合高熵合金高温自润滑涂层也具有一些釉质层，但其微孔结构比实施例1中微孔更大，游离态的碳相比于实施例1中的更少；实施例3中WC掺杂复合高熵合金高温自润滑涂层具有裂纹（图4中a2部分的实心箭头所示）而非独立的微孔，几乎没有游离态的碳，且存在涂层剥落的情况。

[0018] 测定实施例中制备的WC掺杂复合高熵合金高温自润滑涂层试样摩擦系数，结果如图5所示：实施例1中试样平均摩擦系数为0.156、实施例2中试样平均摩擦系数为0.434、实施例3中试样平均摩擦系数为0.405。表明实施例1中制备的WC掺杂复合高熵合金高温自润滑涂层具有相当优异的高温自润滑性能。

[0019] 采用实施例1、2中的方案，即使涂层中WC占比为80wt%也不会出现裂纹，该涂层在高温下具有优异的耐磨性，这些WC硬质颗粒极大地增强了基体，有效地抵抗了摩擦磨损；该方案中，涂层表面生成了富含氧化钨和其它金属氧化物的自润滑釉质层，部分剥落的釉质层夹杂在磨擦副之间，被碾成碎屑，在摩擦过程中起到了润滑剂的作用，且在高温作用下的大量游离态碳进入到FCC基体中，对FCC相进行强化，使WC颗粒周边的组织硬度进一步提高；特别是在600℃作用后的涂层表面生成了比较光滑的釉质层，有效抑制了涂层表面的剥落；
本发明中，涂层表面高硬度和润滑剂的协同作用，实现了该涂层的高温自润滑，且在600℃作用后的涂层高温自润滑作用越明显。更关键地是，采用实施例1的方案，能够有效改变涂层中的孔隙结构，使得涂层内部形成了多个相互独立的稳定微孔结构，兼顾了高熵合金高温自润滑涂层的自润滑性能。