激光熔覆高熵合金涂層與性能研究.pdf

1、本文采用激光熔覆技術(shù)在低成本鐵基材料表面研制具有高硬度、高耐熱、耐腐蝕和特殊電、磁等優(yōu)異綜合性能的高熵合金新材料涂層。研究表明,激光熔覆快速凝固動(dòng)力學(xué)條件有利于提高高熵合金涂層簡(jiǎn)單固溶體形成能力,避免脆性金屬間化合物相的形成,減輕成分偏析,所制備的六種成分涂層均獲得了BCC、FCC或BCC+FCC簡(jiǎn)單固溶體相結(jié)構(gòu),在成分上拓展了現(xiàn)有高熵合金的設(shè)計(jì)構(gòu)想。與通常采用的電弧爐熔煉相似成分塊體材料相比,激光熔覆技術(shù)不僅延伸了高熵合金新材料在大型

2、零部件表面的應(yīng)用,節(jié)約了貴金屬的使用成本,而且具有更高的硬度。通過(guò)EBSD、TEM、納米壓痕和第一性原理計(jì)算等方法研究了合金元素、激光快速凝固和后續(xù)高溫退火熱處理對(duì)涂層相選擇、組織轉(zhuǎn)變、硬度、斷裂韌性、高溫耐熱性能、耐腐蝕性能、電學(xué)和磁學(xué)性能的影響,以及提高涂層熔覆質(zhì)量的辦法。
　　 設(shè)計(jì)了三種典型成分體系的高熵合金涂層。首先,研制了FCC結(jié)構(gòu)FeCoNiCrCu涂層,提出了添加少量Si、Mn、Mo等合金元素提高涂層熔覆質(zhì)量的方

3、法。不含Si、Mn、Mo合金元素的FeCoNiCrCu涂層組織為典型單相組織特征的細(xì)小柱狀晶和等軸晶,與以往電弧爐熔煉相似成分合金存在嚴(yán)重成分偏析的樹(shù)枝晶組織相比,幾乎沒(méi)有成分偏析和二次枝晶的形成,硬度更高(370 HV),但熔覆質(zhì)量較差。添加少量Si、Mn和Mo合金元素顯著提高了涂層的熔覆質(zhì)量和硬度(450 HV),但一定程度上導(dǎo)致涂層成分偏析的增加,組織轉(zhuǎn)變?yōu)闃?shù)枝晶。
　　 其次,研究了不同原子半徑的合金元素對(duì)簡(jiǎn)單BCC結(jié)構(gòu)

4、FeCoNiCrAl(X)系涂層組織、結(jié)構(gòu)和性能的影響。并結(jié)合四種成分FeCoNiCrAl3、FeCoNiCrAl2Si、FeCoNiCrAlSiCu0.5和FeCoNiCrAlSiCuTiMoB0.5涂層的實(shí)驗(yàn)研究和第一性原理計(jì)算,指出添加大原子半徑Al、Ti元素雖然能通過(guò)提高晶體點(diǎn)陣的畸變而提高涂層硬度,但降低了涂層的斷裂韌性。而添加小原子半徑的合金元素Si、B有利于同時(shí)提高涂層硬度和斷裂韌性,四種成分涂層中FeCoNiCrAlSi

5、CuTiMoB0.5涂層同時(shí)具有最高的硬度(1150HV)、斷裂韌性和耐腐蝕性能。最后,研制了具有簡(jiǎn)單BCC固溶體相結(jié)構(gòu)的富鐵6FeCoNiCrAlTiSi涂層,鐵的添加含量擴(kuò)展了單一元素含量介于5％～35%范圍的原有高熵合金成分設(shè)計(jì)理念,涂層不僅具有較高的硬度(780 HV)和良好的耐高溫性能,而且在所制備的BCC結(jié)構(gòu)涂層中具有最高的斷裂韌性和軟磁性能。
　　 在涂層材料的組織和性能方面,研究發(fā)現(xiàn):高熵合金涂層具有良好的高溫耐

6、熱性能,涂層相結(jié)構(gòu)和硬度在750℃以下高溫退火后能基本保持穩(wěn)定,但隨著退火溫度升高至1000℃,不同成分的涂層普遍發(fā)生溶質(zhì)原子擴(kuò)散速度加快和成分偏析加劇的現(xiàn)象,并最終導(dǎo)致BCC結(jié)構(gòu)6FeCoNiCrAlTiSi涂層中無(wú)序固溶體向B2和D03有序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,涂層硬度出現(xiàn)緩慢下降;納米壓痕加載曲線由于力值波動(dòng)引起的的鋸齒流變現(xiàn)象隨著涂層硬度的升高而增大,證明高熵合金涂層高硬度的重要來(lái)源是溶質(zhì)原子與位錯(cuò)之間強(qiáng)烈的交互作用;高熵合金涂層還具有良好