碳掺杂CoCrFeNi基高熵合金摩擦磨损性能探究

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CoCrFeNi高熵合金具有高的强塑性以及韧性,且适用温度区间宽,有望作为新型高性能金属材料,但其耐磨性能有待提升。本研究采用电弧熔炼技术制备了CoCrFeNi高熵合金以及碳掺杂的CoCrFeNi基高熵合金,并进行了均匀化热处理、锻造以及锻造+退火处理,改变合金微观组织。选定合理的试验参数后,探究了显微组织对CoCrFeNi高熵合金摩擦磨损性能的影响以及碳化物含量、形貌对碳掺杂CoCrFeNi基高熵合金摩擦磨损性能的影响。对于CoCrFeNi高熵合金,试验参数的探究表明,载荷为6.5 N,转速为300 r/min的条件下,磨损量适中,便于分析和测试,适宜作为后续试验参数;摩擦磨损性能的探究表明,经均匀化热处理后,等轴状的高熵合金的硬度约为174 HV,平均摩擦系数约为0.64,磨损率为5.49×10-4 mm3/(N·m);经锻造处理后,晶粒被拉长,呈现纤维状,硬度约为276 HV,平均摩擦系数约为0.59,磨损率较均匀化处理的样品下降了约35%;经锻造+退火处理后,晶粒内部出现大量孪晶,硬度约为163 HV,平均摩擦系数约为0.62,磨损率较均匀化处理的样品下降了约26%。对碳掺杂CoCrFeNi基高熵合金摩擦磨损性能的探究表明,合金中硬质相为M23C6型碳化物,经均匀化热处理后,碳化物以针状和颗粒状存在,合金硬度在245~273 HV之间,平均摩擦系数在0.64~0.70之间,磨损率在3.70×10-4~5.27×10-4 mm3/(N·m)之间;经锻造处理后,碳化物被破碎,合金硬度在345~372 HV之间,平均摩擦系数在0.59~0.65之间,磨损率在3.27×10-4~4.81×10-4 mm3/(N·m)之间;经锻造+退火处理后,碳化物发生球化,合金硬度在208~261 HV之间,平均摩擦系数在0.56~0.58之间,磨损率在3.08×10-4~3.63×10-4 mm3/(N·m)之间。三种加工状态下,CoCrFeNi高熵合金主要磨损机理均为两体磨料磨损与氧化磨损,锻造态合金耐磨性最优,摩擦系数值最低,得益于其最高的硬度。对于碳掺杂的CoCrFeNi基高熵合金,碳含量为1.3 at.%时,其耐磨性能最好,其磨损机理仍为两体磨料磨损与氧化磨损;碳含量为3.5 at%、5.4 at%时,其磨损机理为两体磨料磨损、氧化磨损与三体磨料磨损;碳化物对磨球的阻碍使得均匀化热处理以及锻造+退火处理后,合金的平均摩擦系数随着碳含量的增加而上升。经锻造+退火处理后,碳掺杂CoCrFeNi基高熵合金耐磨性最为优异,主要因为:(1)退火后韧性提升,合金抵抗裂纹扩展能力增强;(2)碳化物分布更加均匀且发生球化,切削基体的能力减弱。
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