本發明涉及金屬粉體材料及材料表面處理和強化技術領域，尤其涉及一種水泥回轉窯托輪表面用高熵合金粉體及其制備方法，以及用其制備涂層的方法。

背景技術：

目前，水泥行業使用的大中型回轉窯，需要使用多個托輪來支承回轉窯及物料的全部重量，并使窯筒體在托輪上安全平穩地運轉，所以托輪的使用狀況嚴重影響著回轉窯的運行情況?；剞D窯托輪的材質大部分是ZG35CrMo，由于長期處于高溫、重負荷等惡劣工況下，運轉中會發生點蝕性剝落或疲勞性的損壞，從而使其徑向表面被磨成凹形，嚴重影響了回轉窯的正常運行。為了改善托輪磨損面，需要將托輪徑向面兩端的凸臺處理掉，以前將托輪架到車床上進行車削。該方法雖然可以將托輪表面修理得較為理想，但是修理工期長，企業不僅要支付昂貴的托輪拆裝及加工費用，同時還要承受回轉窯被迫停產帶來的較大經濟損失。因此,在不拆裝水泥回轉窯托輪的情況下，選擇合適的耐磨金屬粉體材料和恰當的涂覆工藝在托輪表面制備耐磨涂層，使托輪表面的耐磨合金涂層與基體結合強度高、耐磨性能好、合金涂層具有均勻的厚度，不僅可以節省費用，還能減少損失，也是保證回轉窯正常運轉的當務之急。

現有的修復技術主要有電鍍、堆焊、補焊以及熱噴涂等為代表的傳統表面技術，中國專利CN101191225B采用熱噴涂技術對高爐爐頂煤氣壓力能量回收透平機表面進行處理，噴涂一層成分質量百分比為：C≤0.5、Cr 16～26、Ni 3.5～9.5、Mo 1.0～4.0、B 0.5～4.5、Si 0.5～4.5、Cu 1.0～4.0、Mo 0～2.0、稀土RE 0.01～1.5、余量為Fe的防腐耐磨涂層，該涂層很好地解決了在酸性潮濕環境中特別是有Cl^-離子和粉塵顆粒存在下的腐蝕磨損問題。但是噴涂粉體僅僅是將各種金屬粉體物理混合，而且采用熱噴涂法修復時，涂層結合一般為機械結合，結合強度較低，長時間運行后依然容易受損剝落。中國專利CN 101637838 B提供了一種用滲透釬焊法制備碳化鎢耐磨蝕復合涂層的方法，該方法首先將含有WC-Co、Ni、Cr混合粉的涂層金屬粉末布用環氧樹脂黏貼劑黏貼在金屬基體上，然后將BNi-2釬焊料制備成釬料金屬粉末布黏貼在金屬粉末布上，最后在真空爐中進行滲透釬焊，形成冶金結合的碳化鎢耐磨涂層。但是釬焊、堆焊、補焊等修復方法時，由于基體受熱不均勻，溫度場梯度大，容易引起較大焊接殘余應力與變形，甚至會引起焊接保護層開裂甚至形成貫穿裂紋，導致涂層脫落。隨后以激光熔覆技術為標志的現代表面技術引起了人們的廣泛關注，中國專利CN 102453897 B采用激光熔覆技術在棒材表面形成碳化物硬質合金耐磨涂層；中國專利CN 101210325 B利用高能激光束對涂覆于熱鍛模具表面的納米陶瓷粉+碳納米管+鈷+粘結劑涂層進行掃描處理，制備了納米復合耐磨涂層。中國專利CN103866319 B在鋯合金表面利用激光熔覆的方法制備了鎳基耐熱耐磨涂層，鎳基合金粉的組成為：C 0.5～1.1％，Si 3.5～5.5％，B 3.0～4.5％，Cr 15～20％，Fe≤17％，Ni余量。該階段不論是制備技術還是涂層性能都有了巨大的優勢，但是普遍存在成本高、靈活性差等局限性，從而制約了向工程實踐的轉化。

上述各種耐磨涂層都是采用不同的表面技術在基體表面涂覆上鎳基、鈷基等高溫合金涂層來提高基體的耐磨性，此類合金一般Ni、Co含量較高，價格較貴。多組元高熵合金比傳統高溫合金具有更高的強度、硬度、抗磨損能力、耐腐蝕能力以及抗高溫氧化能力，且價格相對鎳基、鈷基高溫合金要低廉。目前關于高熵合金粉體的制備一般采用研缽研磨、球磨和二步霧化法，如中國專利CN103394685B和天津大學申請的CN104141085A、CN104141084A和CN105401042A一系列專利都是采用研缽研磨各種混合粉體制備高熵合金粉體；中國專利CN1033290404A、CN104841930A和CN105401038A采用球磨法制備高熵合金粉體。上述研缽研磨和球磨法所制備的高熵合金粉體一方面所采用的原料都是金屬粉體，價格貴；另一方面制備的粉體不僅氧化量較高，而且由于不同金屬元素的密度等熱物理性能存在差異，粉體組分的均勻性仍然存在欠缺，使得后續通過各種方法制備的涂層質量和表面連續性無法滿足生產使用要求。中國專利CN104561878A采用真空熔煉爐熔煉高熵合金鑄棒-自耗式電極霧化二步法制備高熵合金粉體，提高了所制粉體組分的均一性，但是二步法(先制備高熵合金鑄錠，然后在通過霧化制粉)制備的高熵合金粉體，步驟復雜、能耗高，且第一步制備出來的高熵合金母體表面易形成一層氧化物薄膜。

技術實現要素：

基于背景技術存在的技術問題，本發明提出了一種水泥回轉窯托輪表面用高熵合金粉體及其制備方法，以及用其制備的涂層，所述合金粉體結構為簡單的面心和體心結構、粒度可控、組分均一、含氧量低、球形度高、產率大、質量穩定；制備方法環境污染小，步驟簡單、能耗低；所得涂層耐磨性和抗疲勞性好，同時與基體的結合強度較高，在使用的過程中不易脫落，顯著提高了修復后托輪的耐磨性。

本發明提出的一種水泥回轉窯托輪表面用高熵合金粉體，其化學成分按重量百分比包括：Fe：18-20％、Al：17-19％、Cr：17-19％、Mn：19-20％、Ni：19-21％、W：2.8-4％、B：0.6-0.8％、C：1.0-2％。

優選地，其化學成分按重量百分比包括：Fe：19％、Al：17.2％、Cr：18.3％、Mn：19.3％、Ni：19.9％、W：4％、B：0.7％、C：1.6％。

本發明還提出的一種所述水泥回轉窯托輪表面用高熵合金粉體的制備方法，包括以下步驟：

S1、按配比稱取鐵錠、鋁錠、鉻錠、錳錠、鎳錠、金屬鎢、鎳硼合金和碳粉，按熔點由低到高的順序依次加入中頻感應熔煉爐中，抽真空至1-1.5×10^-3MPa，然后充入氬氣，在氬氣壓力為1.1個大氣壓的條件下熔煉60-80min得到金屬液體；

S2、將金屬液體送入中間包，然后經噴嘴進入霧化設備中進行氣霧化得到所述水泥回轉窯托輪表面用高熵合金粉體。

優選地，在S2中，金屬液體通過導流管送入中間包，且導流管的溫度為700-750℃。

優選地，在S2中，金屬液體通過噴嘴的速度為8-10Kg/min。

優選地，在S2中，在氣霧化的過程中，氣霧化的壓力為3-4MPa，所采用的氣體為氬氣，且氬氣的流速為320-340m/s。

優選地，在S2中，在氣霧化結束后還包括將產物冷卻，然后在壓力為1.1個大氣壓的氮氣的保護下篩分，使產物的粒徑在-200～600目之間，得到所述水泥回轉窯托輪表面用高熵合金粉體。

優選地，所述水泥回轉窯托輪表面用高熵合金粉體的制備方法，包括以下步驟：

S1、按配比稱取鐵錠、鋁錠、鉻錠、錳錠、鎳錠、金屬鎢、鎳硼合金和碳粉，按熔點由低到高的順序依次加入中頻感應熔煉爐中，抽真空至1.2×10^-3MPa，然后充入氬氣，在氬氣壓力為1.1個大氣壓的條件下熔煉70min得到金屬液體；

S2、將金屬液體通過導流管送入中間包，且導流管的溫度為720℃，然后經噴嘴進入霧化設備中進行氣霧化，其中，金屬液體通過噴嘴的速度為9Kg/min，在氣霧化的過程中，氣霧化的壓力為3.5MPa，所采用的氣體為氬氣，且氬氣的流速為330m/s；將產物冷卻，然后在壓力為1.1個大氣壓的氮氣的保護下篩分，使產物的粒徑在-200～600目之間，得到所述水泥回轉窯托輪表面用高熵合金粉體。

本發明還提出的一種所述水泥回轉窯托輪表面用高熵合金粉體制備水泥回轉窯托輪表面耐磨高熵涂層的方法，包括以下步驟：將水泥回轉窯托輪表面進行預處理，清除表面的油污，然后采用空氣動力噴砂進行粗化處理，獲得清潔和粗糙的表面，采用超音速火焰噴涂將所述水泥回轉窯托輪表面用高熵合金粉體噴涂在基體的表面得到所述涂層，其中，超音速火焰噴涂工藝參數為：噴涂距離為30-35cm，送粉速率為45-60g/min，空氣壓力為130-150磅/平方英寸，空氣流量為1800-1850L/h，丙烷壓力為100-120磅/平方英寸，丙烷流量為300-350L/h。

優選地，在超音速火焰噴涂后還包括將涂層進行火焰重熔。

本發明所述水泥回轉窯托輪表面用高熵合金粉體以FeAl₂CrMnNi高硬度耐腐蝕性較好的高熵合金為基礎合金，添加了C、W和B元素，并控制了各元素在體系中的比例，實現了充分發揮各元素的最大性能的作用，賦予合金粉體優異的綜合性能，使得到的合金涂層具有優異的耐磨性和抗疲勞性，且與基體的結合強度高；具體地，添加C元素的作用是與合金元素形成各種類型的碳化物，提高涂層的硬度和耐磨性，并控制了C的含量，防止了因C含量太高引起的脆性大以及C含量太低引起的硬度低和耐磨性差的缺陷；W是強碳化物形成元素，添加W元素不僅能增加碳化物量，而且還能細化碳化物，增強碳化物的穩定性；添加B主要是為了獲得更高硬度的鐵鉻硼化物。

本發明中的制備方法采用一步法，與現有的先制備高熵合金鑄錠，然后再通過霧化制粉的二步法相比，具有環境污染小，步驟簡單、易于控制，能耗低的特點，得到的粉體FeAl₂CrMnNiC_0.4B_0.2W_0.05結構為簡單的面心和體心結構、粒度可控、組分均一、含氧量低、球形度高、產率大、質量穩定，適合大規模工業生產。

在涂層的制備過程中，采用了超音速火焰噴涂技術，得到的涂層具有優異的耐磨性和抗疲勞性，同時與基體的結合強度較高，無需制備過渡層。

附圖說明

圖1為本發明實施例1制得的水泥回轉窯托輪表面用高熵合金粉體的XRD圖片；

圖2為本發明實施例1制得的水泥回轉窯托輪表面用高熵合金粉體的SEM圖片。

具體實施方式

下面，通過具體實施例對本發明的技術方案進行詳細說明。

實施例1

本發明提出的一種水泥回轉窯托輪表面用高熵合金粉體，其化學成分按重量百分比包括：Fe：19％、Al：19％、Cr：18％、Mn：19％、Ni：20.4％、W：3％、B：0.6％、C：1％。

本發明還提出的一種所述水泥回轉窯托輪表面用高熵合金粉體的制備方法，包括以下步驟：

S1、按配比稱取19公斤鐵錠、19公斤鋁錠、18公斤鉻錠、19公斤錳錠、17.15公斤鎳錠、3公斤金屬鎢、3.85公斤鎳硼合金和1公斤碳粉，按熔點由低到高的順序依次加入中頻感應熔煉爐中，抽真空至1.5×10^-3MPa，然后充入氬氣，在氬氣壓力為1.1個大氣壓的條件下熔煉60min得到金屬液體；

S2、將金屬液體通過導流管送入中間包，且導流管的溫度為700℃，然后經噴嘴進入霧化設備中進行氣霧化，其中，金屬液體通過噴嘴的速度為9Kg/min，在氣霧化的過程中，氣霧化的壓力為3.5MPa，所采用的氣體為氬氣，且氬氣的流速為330m/s；將產物冷卻，然后在壓力為1.1個大氣壓的氮氣的保護下篩分，使產物的粒度在60-120微米，得到所述水泥回轉窯托輪表面用高熵合金粉體；所述粉體的球形度較好，氧含量為120ppm。

本發明還提出的一種所述水泥回轉窯托輪表面用高熵合金粉體制備水泥回轉窯托輪表面耐磨高熵涂層的方法，包括以下步驟：將水泥回轉窯托輪表面進行預處理，清除表面的油污，然后采用空氣動力噴砂進行粗化處理，獲得清潔和粗糙的表面，采用超音速火焰噴涂將所述水泥回轉窯托輪表面用高熵合金粉體噴涂在基體的表面，然后進行火焰重熔得到所述涂層，其中，超音速火焰噴涂工藝參數為：噴涂距離30cm，送粉速率50g/min，空氣壓力130磅/平方英寸，空氣流量1800L/h，丙烷壓力120磅/平方英寸，丙烷流量為300L/h；涂層的厚度為410μm，硬度為1460HV。本實施例制備的耐磨噴涂層與ZG35CrMo材質對磨2h的耐磨性是ZG35CrMo材料的3倍。

圖1為本實施例制得的水泥回轉窯托輪表面用高熵合金粉體的XRD圖片；由圖1可知，合金粉體的純度高。

圖2為本實施例制得的水泥回轉窯托輪表面用高熵合金粉體的SEM圖片；由圖2可知，所述粉體的球形度好。

實施例2

本發明提出的一種水泥回轉窯托輪表面用高熵合金粉體，其化學成分按重量百分比包括：Fe：18％、Al：17.7％、Cr：19％、Mn：20％、Ni：19％、W：4％、B：0.8％、C：1.5％。

本發明還提出的一種所述水泥回轉窯托輪表面用高熵合金粉體的制備方法，包括以下步驟：

S1、按配比稱取18公斤鐵錠、17.7公斤鋁錠、19公斤鉻錠、20公斤錳錠、14.7公斤鎳錠、4公斤金屬鎢、5.1公斤鎳硼合金和1.5公斤碳粉，按熔點由低到高的順序依次加入中頻感應熔煉爐中，抽真空至1.2×10^-3MPa，然后充入氬氣，在氬氣壓力為1.1個大氣壓的條件下熔煉80min得到金屬液體；

S2、將金屬液體通過導流管送入中間包，且導流管的溫度為750℃，然后經噴嘴進入霧化設備中進行氣霧化，其中，金屬液體通過噴嘴的速度為8Kg/min，在氣霧化的過程中，氣霧化的壓力為3.5MPa，所采用的氣體為氬氣，且氬氣的流速為340m/s；將產物冷卻，然后在壓力為1.1個大氣壓的氮氣的保護下篩分，使產物的粒度在40-105μm，得到所述水泥回轉窯托輪表面用高熵合金粉體；所述粉體的球形度較好，氧含量為110ppm。

本發明還提出的一種所述水泥回轉窯托輪表面用高熵合金粉體制備水泥回轉窯托輪表面耐磨高熵涂層的方法，包括以下步驟：將水泥回轉窯托輪表面進行預處理，清除表面的油污，然后采用空氣動力噴砂進行粗化處理，獲得清潔和粗糙的表面，采用超音速火焰噴涂將所述水泥回轉窯托輪表面用高熵合金粉體噴涂在基體的表面，然后進行火焰重熔得到所述涂層，其中，超音速火焰噴涂工藝參數為：噴涂距離35cm，送粉速率45g/min，空氣壓力140磅/平方英寸，空氣流量1850L/h，丙烷壓力110磅/平方英寸，丙烷流量為350L/h；涂層的厚度為520μm，硬度為1420HV。本實施例制備的耐磨噴涂層與ZG35CrMo材質對磨2h的耐磨性是ZG35CrMo材料的3倍。

實施例3

本發明提出的一種水泥回轉窯托輪表面用高熵合金粉體，其化學成分按重量百分比包括：Fe：20％、Al：17％、Cr：17％、Mn：19.5％、Ni：21％、W：2.8％、B：0.7％、C：2％。

本發明還提出的一種所述水泥回轉窯托輪表面用高熵合金粉體的制備方法，包括以下步驟：

S1、按配比稱取20公斤鐵錠、17公斤鋁錠、17公斤鉻錠、19.5公斤錳錠、17.2公斤鎳錠、2.8公斤金屬鎢、4.5公斤鎳硼合金和2公斤碳粉，按熔點由低到高的順序依次加入中頻感應熔煉爐中，抽真空至1.5×10^-3MPa，然后充入氬氣，在氬氣壓力為1.1個大氣壓的條件下熔煉70min得到金屬液體；

S2、將金屬液體通過導流管送入中間包，且導流管的溫度為720℃，然后經噴嘴進入霧化設備中進行氣霧化，其中，金屬液體通過噴嘴的速度為10Kg/min，在氣霧化的過程中，氣霧化的壓力為3.5MPa，所采用的氣體為氬氣，且氬氣的流速為320m/s；將產物冷卻，然后在壓力為1.1個大氣壓的氮氣的保護下篩分，使產物的粒度在60-145μm微米，得到所述水泥回轉窯托輪表面用高熵合金粉體；所得粉體球形度好，氧含量為90ppm。

本發明還提出的一種所述水泥回轉窯托輪表面用高熵合金粉體制備水泥回轉窯托輪表面耐磨高熵涂層的方法，包括以下步驟：將水泥回轉窯托輪表面進行預處理，清除表面的油污，然后采用空氣動力噴砂進行粗化處理，獲得清潔和粗糙的表面，采用超音速火焰噴涂將所述水泥回轉窯托輪表面用高熵合金粉體噴涂在基體的表面，然后進行火焰重熔得到所述涂層，其中，超音速火焰噴涂工藝參數為：噴涂距離32cm，送粉速率60g/min，空氣壓力150磅/平方英寸，空氣流量1800L/h，丙烷壓力100磅/平方英寸，丙烷流量為320L/h；涂層的厚度為600μm，硬度為1600HV。本實施例制備的耐磨噴涂層與ZG35CrMo材質對磨2h的耐磨性是ZG35CrMo材料的3.5倍。

實施例4

本發明提出的一種水泥回轉窯托輪表面用高熵合金粉體，其化學成分按重量百分比包括：Fe：18％、Al：19％、Cr：17％、Mn：19％、Ni：20.4％、W：4％、B：0.6％、C：2％。

本發明還提出的一種所述水泥回轉窯托輪表面用高熵合金粉體的制備方法，包括以下步驟：

S1、按配比稱取鐵錠、鋁錠、鉻錠、錳錠、鎳錠、金屬鎢、鎳硼合金和碳粉，按熔點由低到高的順序依次加入中頻感應熔煉爐中，抽真空至1.5×10^-3MPa，然后充入氬氣，在氬氣壓力為1.1個大氣壓的條件下熔煉60min得到金屬液體；

S2、將金屬液體送入中間包，然后經噴嘴進入霧化設備中進行氣霧化得到所述水泥回轉窯托輪表面用高熵合金粉體。

本發明還提出的一種所述水泥回轉窯托輪表面用高熵合金粉體制備水泥回轉窯托輪表面耐磨高熵涂層的方法，包括以下步驟：將水泥回轉窯托輪表面進行預處理，清除表面的油污，然后采用空氣動力噴砂進行粗化處理，獲得清潔和粗糙的表面，采用超音速火焰噴涂將所述水泥回轉窯托輪表面用高熵合金粉體噴涂在基體的表面得到所述涂層，其中，超音速火焰噴涂工藝參數為：噴涂距離35cm，送粉速率45g/min，空氣壓力150磅/平方英寸，空氣流量1800L/h，丙烷壓力120磅/平方英寸，丙烷流量為300L/h。

實施例5

本發明提出的一種水泥回轉窯托輪表面用高熵合金粉體，其化學成分按重量百分比包括：Fe：20％、Al：17％、Cr：19％、Mn：20％、Ni：19％、W：3.2％、B：0.8％、C：1.0％。

本發明還提出的一種所述水泥回轉窯托輪表面用高熵合金粉體的制備方法，包括以下步驟：

S1、按配比稱取鐵錠、鋁錠、鉻錠、錳錠、鎳錠、金屬鎢、鎳硼合金和碳粉，按熔點由低到高的順序依次加入中頻感應熔煉爐中，抽真空至1×10^-3MPa，然后充入氬氣，在氬氣壓力為1.1個大氣壓的條件下熔煉80min得到金屬液體；

S2、將金屬液體送入中間包，然后經噴嘴進入霧化設備中進行氣霧化得到所述水泥回轉窯托輪表面用高熵合金粉體。

本發明還提出的一種所述水泥回轉窯托輪表面用高熵合金粉體制備水泥回轉窯托輪表面耐磨高熵涂層的方法，包括以下步驟：將水泥回轉窯托輪表面進行預處理，清除表面的油污，然后采用空氣動力噴砂進行粗化處理，獲得清潔和粗糙的表面，采用超音速火焰噴涂將所述水泥回轉窯托輪表面用高熵合金粉體噴涂在基體的表面得到所述涂層，其中，超音速火焰噴涂工藝參數為：噴涂距離30cm，送粉速率60g/min，空氣壓力140磅/平方英寸，空氣流量1850L/h，丙烷壓力100磅/平方英寸，丙烷流量為350L/h。

實施例6

本發明提出的一種水泥回轉窯托輪表面用高熵合金粉體，其化學成分按重量百分比包括：Fe：19％、Al：17.2％、Cr：18.3％、Mn：19.3％、Ni：19.9％、W：4％、B：0.7％、C：1.6％。

本發明還提出的一種所述水泥回轉窯托輪表面用高熵合金粉體的制備方法，包括以下步驟：

S1、按配比稱取鐵錠、鋁錠、鉻錠、錳錠、鎳錠、金屬鎢、鎳硼合金和碳粉，按熔點由低到高的順序依次加入中頻感應熔煉爐中，抽真空至1.2×10^-3MPa，然后充入氬氣，在氬氣壓力為1.1個大氣壓的條件下熔煉70min得到金屬液體；

S2、將金屬液體通過導流管送入中間包，且導流管的溫度為720℃，然后經噴嘴進入霧化設備中進行氣霧化，其中，金屬液體通過噴嘴的速度為9Kg/min，在氣霧化的過程中，氣霧化的壓力為3.5MPa，所采用的氣體為氬氣，且氬氣的流速為330m/s；將產物冷卻，然后在壓力為1.1個大氣壓的氮氣的保護下篩分，使產物的粒徑在-200～600目之間，得到所述水泥回轉窯托輪表面用高熵合金粉體。

本發明還提出的一種所述水泥回轉窯托輪表面用高熵合金粉體制備水泥回轉窯托輪表面耐磨高熵涂層的方法，包括以下步驟：將水泥回轉窯托輪表面進行預處理，清除表面的油污，然后采用空氣動力噴砂進行粗化處理，獲得清潔和粗糙的表面，采用超音速火焰噴涂將所述水泥回轉窯托輪表面用高熵合金粉體噴涂在基體的表面得到所述涂層，其中，超音速火焰噴涂工藝參數為：噴涂距離33.8cm，送粉速率52g/min，空氣壓力143磅/平方英寸，空氣流量1835L/h，丙烷壓力106磅/平方英寸，丙烷流量為328L/h。

以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，根據本發明的技術方案及其發明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。