激光熔覆Al1.8CrCuFeNi2高熵合金涂层组织结构和耐磨性的研究

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为了提升农机触土部件的耐磨性能,本文在65Mn弹簧钢基体上利用激光熔覆技术制备Al1.8CrCuFeNi2高熵合金涂层,分析了工艺参数(包括不同熔覆功率和不同熔覆层数)对高熵合金涂层微观组织和耐磨性能的影响。在高熵合金粉末中添加TiC强化颗粒,研究了TiC含量对涂层微观组织和耐磨性能的影响并分析其机制。使用金相显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析(EDS)、显微硬度计以及环-块对磨滑动摩擦试验机分别对涂层的微观组织、硬度和耐磨性能进行研究。主要研究结果如下:研究了熔覆功率(1100W、1500W、1900W)对涂层组织和磨损性能的影响。研究结果发现三种功率熔覆的涂层都是BCC固溶体结构,晶粒以等轴柱状晶为主,其中1100W的涂层晶粒最细小。涂层表面的元素分布均匀,无明显偏析。三种功率的涂层与基体都是以冶金方式结合,结合面元素的渐变比较平缓。对三种涂层的硬度进行分析发现1100W功率制备的涂层硬度最高,为843.3HV。1500W和1900W的硬度分别为681.9HV和717.4HV。三种涂层的磨损机制都是磨粒磨损,其中1100W功率涂层的摩擦系数最低且最稳定,1100W、1500W和1900W涂层在30min下的磨损量分别为11.7mg、12.6mg和12.5mg。由此可见,1100W功率制备的涂层硬度和耐磨性最优,与晶粒细小,元素分布均匀有关。研究了熔覆层数(单层、双层、三层、四层)对涂层组织和磨损性能的影响。四种涂层都是以BCC为主的固溶体结构,熔覆层数不同没有改变涂层的相结构。通过对比发现,单层和双层熔覆的晶粒结构更完整,元素分布更均匀。三层和四层熔覆涂层晶粒由等轴枝晶变为花瓣状枝晶,同时缺陷增多,元素产生偏析。不同层数熔覆的涂层硬度相近,但是磨损量的差异较大。其中双层熔覆硬度最好,为931.5HV。单层、三层和四层熔覆硬度分别为766.5HV、812.2HV和847.4HV。在30min时,双层熔覆磨损量为11.7mg,单层、三层和四层熔覆的磨损量分别为16.3mg、31.2mg和29.5mg。因此,双层熔覆制备的涂层耐磨性最好,得益于与熔覆层的厚度适中以及元素分布均匀。研究了添加10%、20%和30%三种质量分数TiC加强相后涂层的组织和磨损性能。添加TiC后,涂层微观组织产生了很大的变化,尤其是当TiC含量达到20%和30%时产生了块状弥散相。研究发现,随TiC含量的增加,涂层的硬度提高,10%TiC,20%TiC,30%TiC涂层中BCC相的硬度分别为865.2HV,947.9HV,969.6HV,相对于基体材料分别提升了145.3%,168.8%,174.9%。其中20%TiC和30%TiC涂层中析出的TiC弥散相硬度分别为2645.4HV和3408.5HV。三种不同含量TiC涂层磨损机制均为磨粒磨损,磨损量随着TiC含量的增加变小,磨损30min时10%、20%、30%TiC涂层磨损量为11.3mg、2.1mg、2.2mg,磨损2小时10%、20%、30%TiC涂层磨损量为36.5mg、9.1mg、8.1mg。但是30%TiC涂层的脆性较高,产了过多裂纹,所以最优TiC含量为20%。总体来说,采用熔覆功率1100W,双层熔覆,Al1.8CrCuFeNi2+20%TiC(wt.%)粉末制备的65Mn弹簧钢基体涂层耐磨性能最好,该材料在农业机械耐磨件上具有重要应用前景。
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