Zr、Ta添加对激光熔覆高熵合金涂层组织性能影响的研究

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本课题首先针对Ti6Al4V耐磨性差、耐高温氧化性差的缺点,采用激光熔覆技术在Ti6Al4V表面制备了Al Nb Ta Zrx高熵合金涂层。研究了x值的变化对涂层的微观结构演变以及摩擦磨损性能和高温抗氧化性能的影响。最终结果表明,x为0.2、0.4、0.6、0.8和1.0的涂层都是由两种简单的固溶体组成,其中β相为BCC结构,α′相为HCP结构。x值的增加促进了涂层由β相向α′相的转变。Zr的添加导致涂层显微硬度值相应增大,当x从0.2增大到1.0涂层显微硬度提高了17%。涂层的平均磨损率(1.66×10-4 mm~3?N-1?m-1)比基体的磨损率(2.41×10-4 mm~3?N-1?m-1)减少31%左右。涂层磨损率在x=0.2到x=0.8时先呈现下降趋势,在x进一步提高到1.0时又呈现上升趋势。这一变化与磨损机理的演变密切相关,首先是微切削(x=0.2),之后转化为微切削与氧化的结合(x=0.4、0.6和0.8),最终确定为微切削、氧化和脆性剥落的混合(x=1.0)。涂层也在1000°C氧化50小时后展现出了极佳的高温抗氧化性,因其平均氧化增重比基体降低了大约76%。随着x的增加,涂层的氧化速率逐渐降低(从x=0.2到x=1.0降低了68%左右),与此同时发现50 h后涂层的氧化增重降低了64%左右。进一步分析表明,添加x后涂层抗氧化性能的提高主要是由于氧化层形成难度和稳定性的变化。除此之外还采用激光熔覆技术在45#钢表面制备了AlCrCoNiTax(x=0、0.5和1.0)高熵合金涂层。详细分析了涂层的微观组织随x的变化规律并重点研究了不同环境(大气和3.5 wt.%NaCl溶液)下Ta含量对涂层磨损行为的影响。不同Ta含量涂层的微观结构变化如下:等轴BCC晶体+细MC(M=Al、Cr、Co和Ni)颗粒(x=0)→等轴BCC晶体+粗大的Ta C块+细Ta C颗粒(x=0.5)→花状的BCC晶体+粗大的Ta C块+共晶组织(BCC+Ta C)(x=1.0)。涂层的平均显微硬度随x的增加而上升,这是由于Ta和Fe的原子半径显著不同,形成了较强的固溶强化和弥散强化的结合,并形成了具有极高硬度的Ta C。涂层在大气和NaCl溶液中的磨损率都随着Ta含量的增加而逐渐降低,且所有涂层的磨损率都低于基体。当x=0.5和1.0时,涂层在NaCl溶液中的磨损率比在大气下的磨损率略微降低了17%和12%。然而,基体和不含Ta的涂层在NaCl溶液中的磨损率比在大气下的磨损率增大了191%和123%。这表明Ta的引入有助于提高在大气下和NaCl溶液中的耐磨性。
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