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碳化钨添加对高熵合金涂层组织和硬度的影响论文

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  关键词:高熵合金;涂层;碳化钨;硬度

  自从台湾清华大学叶均蔚[1]提出了高熵合金之后,材料学界对该领域的研究越来越多[2]。高熵合金一般是指含有五种组元或以上,并且每一组元的摩尔含量不超过35%的合金[1]。高熵合金的强度、硬度、耐腐蚀性等表现出与传统合金极大不同,被视为极有发展前景的新型合金,再加上其种类成百万计,意味着高熵合金的研究是一个庞大的研究体系[2-6]。根据合金体系的规律,元素间的反应焓决定是否形成化合物,一般认为合金组元太多,容易形成金属间化合物,而难得到固溶体。但高熵合金因为组元超过了一定数目,合金在高温液态下混合熵起着极其重要的作用,使得焓变不是唯一决定合金相的因素,从而使得高熵合金有可能只形成固溶体而非金属间化合物[1]。高熵合金常常形成简单的组织结构,如FCC或BCC结构,这主要是由于其高熵效应的作用[1,7]。高熵合金晶格畸变效应使其表现出极高硬度和强度[1]。不过高熵合金的组元可以是金属元素也可以是非金属元素,种类多,由目前研究结果可知,除形成固溶体相,也会形成较复杂的金属间化合物相。高熵合金的鸡尾酒效应,使其与其他材料复合成为可能,近年有关高熵合金与硬质合金如WC、TiC等的复合亦有不少报道[1]。文章在其研究基础上,发现AlNiTiCoCrCu0.5FeMo系列高熵合金具有简单的结构和较高的硬度[8-11],因而通过在其中再添加WC进一步提高其性能。

碳化钨添加对高熵合金涂层组织和硬度的影响论文

  1实验方法

  使用激光熔覆设备制备WC+Al2NiTiCoCrCu0.5FeMo高熵合金涂层。使用的金属粉和碳化钨粉的目数为300。金属元素粉末的纯度在99%以上。使用XQM-4L型行星式高能球磨机对粉末进行混合,球料质量比2:1,转速为200r·min-1,球磨时间2h。采用650型激光熔覆设备在40Cr钢基体上进行熔覆试验,激光功率为650W,光斑直径为3mm,激光扫描速度为300mm·s-1[9]。

  试样磨平抛光后,使用王水腐蚀15s,流水清洗后,喷淋酒精,使用冷风吹干。形貌分析采用SEC公司生产的SNE3000NB型扫描电子显微镜。用HV-1000型显微硬度计测试显微硬度,载荷为9.8N,保载时间为10s,每个试样测5点取平均值;采用TD-3000型X射线衍射仪对涂层进行物相分析,电压为30kV,电流为20mA,扫描速率为1。·min-1[9]。

  2结果与讨论

  2.1 XRD分析

  使用X射线衍射仪分析了WC+Al2NiTiCoCrCu0.5 FeMo高熵合金涂层,结果如图1所示。由图可见,合金由单一BCC相组成,WC的添加对高熵合金的相组织没有改变,只是随着WC的增加,衍射峰强度逐渐下降。Al2NiTiCoCrCu0.5FeMo高熵合金含有较多的铝元素,而根据叶均蔚等的研究认为铝具有极强的BCC相形成能力,从而促进了合金BCC相的形成。由于WC的添加量较少,粒度又比较小,所以在XRD谱未显示出来。XRD衍射峰强度变低,这应该是添加WC导致高熵合金发生极大的晶格畸变,这与目前已证明的高熵合金的主元素数越多,X射线衍射峰强度逐渐降低一致[1-2]。由XRD分析也可知,虽然激光熔覆温度很高,但是碳化钨没有和高熵合金直接化合形成新相,这说明碳化钨在涂层的形成过程中保持良好的稳定性。碳化钨的熔点为2870℃,远高于Al2NiTiCoCrCu0.5FeMo高熵合金元素的熔点,所以在涂层制备过程,高熵合金处于液态下,而碳化钨并没有熔解,并没有直接与高熵合金反应形成新相。

  2.2 SEM分析

  使用扫描电子显微镜对WC+Al2NiTiCoCrCu0.5FeMo高熵合金涂层进行了分析,结果如图2所示。由图中可见,WC的添加对高熵合金的相结构和组织影响不明显,在WC的添加量小于5%时,晶粒尺寸为2~3μm,而WC添加量为8%时,晶粒变得不规则,并且有增大的趋势,约在3~5μm。由图2可见,由于添加的WC相对Al2NiTiCoCrCu0.5FeMo高熵合金的量来说是比较少的,所以在SEM显微形貌中无法分辨WC的相成分,这与XRD分析的结果一样,主要是WC分散在高熵合金相内。

  2.3硬度分析

  使用显微硬度计对WC+Al2NiTiCoCrCu0.5FeMo高熵合金涂层进行了分析,结果如图3所示。

  由图3可见,随着WC添加量的增加,涂层的硬度逐渐升高。Al2NiTiCoCrCu0.5FeMo高熵合金具有较高的硬度,达到463HV,这主要是因为合金是BCC相,BCC相虽然有比较多的滑移系,达到48个,比FCC相的12个滑移系多,但FCC相的位错宽度较大,晶格阻力相对较小,从而导致FCC相更容易滑移,因此,一般BCC相的硬度比FCC相的硬度高。在增加2%的WC时,硬度升高的速度很大,但再增加,硬度的增速比较平缓。这是由于WC的硬度非常高,添加少量即极大促进涂层硬度的提高,但当含量超过2%,WC分散在高熵合金相内,导致高熵合金相有松散的倾向。WC和高熵合金并没有形成合金,只是形成混合相,混合物的硬度必须达到合适的浓度范围比才能获得最大的强度和硬度。在WC+Al2NiTiCoCrCu0.5FeMo高熵合金涂层,Al2NiTiCoCr Cu0.5FeMo高熵合金相当于粘结相,碳化钨是骨架,粘结相多硬度低,粘结相太少,则涂层变得松散,所以要获得综合性能好的涂层,必须控制好高熵合金和碳化钨的含量,使在极大发挥碳化钨高硬度的基础上,不影响高熵合金粘结行为效能。由图中可见,碳化钨含量超过6%时,涂层硬度增加不再明显,所以6%的碳化钨添加是最佳的添加量。

  3结论

  使用激光熔覆设备制得WC+Al2NiTiCoCrCu0.5FeMo高熵合金涂层。WC的添加没有改变高熵合金的相结构和组织,但WC添加量的增加导致合金晶粒尺寸有增大的趋势。添加5%WC的涂层合金的晶粒尺寸为2~3μm,而8%WC的晶粒尺寸为3~5μm。随着WC添加量的增加,涂层的硬度逐渐升高,添加量超过2%时,涂层硬度的增速变平缓。

  参考文献

  [1]Yeh J W,Chen S K,Lin S J,et al.Nanostructured High-Entropy Alloys with Multiple Principal Elements:Novel Alloy Design Concepts and Outcomes[J].Advanced Engineering Materials,2004,6(5):299-303.

  [2]梁秀兵,魏敏,程江波,等.高熵合金新材料的研究进展[J].材料工程,2009(12):75-79.

  [3]叶均蔚(Jien-Wei Yeh).高熵合金的发展[J].华冈工程学报,2011(27):1-18.

  [4]Lu Y,DongY,Guo S,et al.A Promising New Class of High-Tem-perature Alloys:Eutectic High-Entropy Alloys[J].Rep,2014(4):6200.

  [5]郭娜娜,高绪杰,李肖逸,等.共晶高熵合金的研究进展[J].稀有金属,2021,45(6):728-739.

  [6]温立哲,黄元盛.Al3Ti3CoCrCu0.5FeMoNi高熵合金激光涂层的研究[J].有色金属(冶炼部分),2017(6):67-70.

  [7]黄元盛,温立哲.退火处理对Al3CoCrCu1/2FeMoNiTi高熵合金激光涂层组织和性能的影响[J].表面技术,2016,45(7):162-166.

  [8]温立哲,黄元盛.激光熔覆AlCoCrCu0.5FeMoNiTi高熵合金涂层的组织与性能[J].粉末冶金技术,2016,34(4):268-271.

  [9]温立哲,黄元盛.高熵合金析出相热动力学分析及组成相耐蚀性研究[J].有色金属工程,2018,8(6):6-9.

  [10]Tung C C,Yeh J W,Shun T T.On the elemental effect of Al-CoCrCuFeNi high-entropy alloy system[J].Materials Letters,2007,61(1):1-5.

  [11]卢光熙,侯增寿.金属学教程[M].上海:上海科学技术出版社

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