文章编号:１００１-９７３１(２０１６)０６-０６１６７-０６
激光熔覆Al x CrFeCoCuNi高熵合金涂层的
显微组织与性能研究?
郑必举,蒋业华,胡文,刘洪喜
(昆明理工大学材料科学与工程学院,昆明６５００９３)
摘要:采用CO２激光熔覆技术在AISI１０４５钢基底上制备了Al x CrFeCoCuNi涂层.通过改变Al的含量来研究其对显微组织和耐磨性能的影响.涂层的微观结构二化学成分和相结构分别通过扫描电镜二能谱和X射线衍射进行了分析.研究结果表明,Al x CrFeCoCuNi高熵合金涂层主要包括熔覆层二结合区和热影响区.熔覆层和基底具有很好的冶金结合.熔覆层主要由等轴晶和柱状晶组成.XRD分析可知,由于高熵效应使得Al x CrFe-CoCuNi高熵合金涂层相结构主要为简单面心和体心立方结构.Al x CrFeCoCuNi的表面硬度最高可以达到７５８Hv,是基底的３倍,而且显微硬度随着Al含量的增加而升高.Al含量高的涂层具有高的硬度,从而提高了耐磨性能.
关键词:高熵合金;磨损;显微硬度;激光熔覆
中图分类号: TG１５６．９９文献标识码:A DOI:１０．３９６９/j．issn．１００１-９７３１．２０１６．０６．０３０
０ 引言
几百年来,传统的合金体系通常是以一个元素为
主元,例如铁合金二铝合金和钛合金等,主要元素含量
通常占到５０％(原子分数)以上,再添加少量其它元素来改变结构和性能,但是由于固溶度的原因导致添加
元素的量是有限的.为了解决这个限制,中国台湾学
者叶均蔚在１９９５年打破了传统观念,提出了新的合金设计概念[１-３].高熵合金被定义为,合金至少包含５种元素,且每种元素的含量在５％~３５％(原子分数).这种合金凝固后由于高熵效应主要形成简单的固溶相,而不是复杂的脆性相.通过成分优化后的高熵合金具有高强度二低电阻率二优异的耐磨性能和抗腐蚀性能[４-６].
现在,制备高熵合金的主要方法是真空电弧熔炼
制备块状铸锭[７-１２].这种技术限制了铸锭的尺寸,因为形成简单固溶相的高熵合金要求较高的冷却速率.另外,高熵合金里含有多种贵金属,大块材料的成本很高.因此,在低成本钢基底上制备高熵合金涂层可以扩大其应用.在激光熔覆过程中,冷却速率可以达到１０３~１０６K/s,而且这个过程也是原位合成.更重要的是,激光熔覆涂层与基底为冶金结合,具有较小的热变形和非平衡反应[１３-１５]等优点.所以激光熔覆制备的高熵合金涂层对其扩大应用范围具有重要意义.在本文中,通过激光熔覆技术来制备Al x CrFeCoCuNi高熵合金涂层,研究了Al含量对涂层质量二微观结构二显微硬度和耐磨性能的影响.１实验
AISI１０４５钢基底试样尺寸为３０mm?３０mm?３mm.基底先用６００~２０００＃砂纸研磨,然后将其在氢氧化钠溶液中清洗２０min,从而去除表面上的污垢或油脂,最后用去离子水彻底冲洗.实验所用Cu二Ni二Co二Fe二Cr二Al粉末(９９．９９％)的颗粒尺寸平均为５５μm,将其以等摩尔比进行充分混合,并加入聚乙烯醇溶液制备成熔覆膏,然后在基底表面上涂敷约０．８mm的预置层,干燥约３６h.实验所用CO２激光器的波长为１０．６μm;光斑直径为７００μm.焦点定在样品的表面以上５mm,扫描速度为１mm/s,激光功率密度固定为８００J/cm２.
高熵合金熔覆层的物相组成由X射线衍射仪进行分析;电镜(JSM-５３１０二日本)及其能谱仪定性分析了涂层微观结构和化学成分;HXD-１０００维氏显微硬度计来测量高熵合金熔覆层横截面的显微硬度,在样品表面取５个不同地方进行测量,然后取平均值;以销盘式磨损试验装置进行滑动磨损试验,长度为２０mm 和直径为４mm的销样在硬度为６００Hv的钢盘上以速度为３．１４m/s进行实验.用单位滑动距离的磨损体积损失来计算磨损率,直到总的磨损时间达到５０min.２结果与讨论
２．１涂层的显微组织
激光加工参数对涂层的质量二微观形貌和性能有重要的影响.因此,本文试样的涂层都是在最优激光
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郑必举等:激光熔覆Al x CrFeCoCuNi高熵合金涂层的显微组织与性能研究
?基金项目:云南省教育厅资助项目(KKJA２０１３５１００４);昆明理工大学分析测试基金资助项目(２０１３０１９７)
收到初稿日期:２０１５-０５-１０收到修改稿日期:２０１５-０８-１５通讯作者:郑必举,E-mail:zhen g bi j u＠g mail．com 作者简介:郑必举(１９８２－),男,山西大同人,副教授,博士,主要从事激光表面改性研究.