FeCoCrNiMnTi高熵合金激光熔覆制备及其组织性能

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高熵合金(HEAs)是一种由五种或五种以上的主要元素以等摩尔或近似等摩尔比值组成的新型合金,因其独特的高熵效应而形成简单的固溶体结构,从而拥有相比传统合金更加优异的综合性能。由于高熵合金制备原料的价格相对昂贵,生产整体高熵合金构件的成本较高,所以将高熵合金应用于表面工程更能发挥其优势,制备高熵合金薄膜、涂层成为新的发展趋势。激光熔覆技术是一种新型表面加工技术,具有凝固速度快、稀释率小、能量密度高、可控性好等特点,可以在低廉金属基材上制备出组织致密、成分均匀、与基体结合性好且性能优异的高熵合金熔覆层。本文利用同步送粉激光熔覆技术在Q355钢基体上制备了FeCoCrNiMnTix(B4C)y系列高熵合金熔覆层。利用X射线衍射仪(XRD),金相显微镜(OM),扫描电子显微镜(SEM),X射线能谱仪(EDS)对熔覆层的相结构及微观组织进行了分析;利用维氏显微硬度仪、摩擦磨损试验机和电化学工作站等设备对熔覆层的显微硬度、耐磨性能和耐蚀性能进行了测试分析。研究结果表明FeCoCrNiMn高熵合金熔覆层由面心立方(FCC)结构固溶体组成,加入Ti元素后,可以促进体心立方(BCC)相和六方(Hexagonal)相的形成,FeCoCrNiMnTix熔覆层主要由BCC、FCC和六方相结构固溶体共同组成,显微组织形貌主要表现为等轴晶,组织得到细化。Ti含量较高(x≥0.8)时出现Laves相。在FeCoCrNiMnTix(x=0.4,0.6,0.8)的基础上加入B4C陶瓷相后,使熔覆层显微组织得到了细化,促进了碳化物、硼化物的生成,但抑制了以Ti元素为主的六方相的形成。熔覆层主要由FCC相、BCC相以及碳化物和硼化物组成,熔覆层显微组织形貌由等轴晶转变为针状组织,针状区为以Cr、Fe元素为主的BCC固溶体结构。随着Ti含量的增加,FeCoCrNiMnTix(x=0.5,0.6,0.8,1.0)高熵合金熔覆层的显微硬度升高,这主要是由于固溶强化、组织强化及晶粒细化的作用。熔覆层的耐磨性随着Ti含量的增加呈现先升高后降低的趋势,Ti0.6合金耐磨性最好。当Ti含量低于x=0.6时,合金耐磨性与硬度成正相关,但是由于Ti含量较高时合金中生成了脆硬Laves相,且较大的晶格畸变增大了内应力,导致磨损面片状剥离脱落,所以Ti0.8和Ti1.0时熔覆层耐磨性下降。FeCoCrNiMnTix(B4C)y(x=0.6,0.8,1.0;y=0.2,0.4,0.6)系高熵合金熔覆层的显微硬度随着B4C的加入呈现出先降低后升高的转变趋势。加入少量B4C(y=0.2,0.4)时,形成的碳化物和硼化物含量较少,第二相强化作用还不够明显,另一方面碳化物和硼化物的析出降低了Ti、Cr等元素在固溶体中的固溶含量,且使得合金中较硬的六方相减少甚至消失,所以合金硬度呈现下降趋势。当B4C含量达到y=0.6时,碳化物、硼化物及BCC相含量增加,合金硬度提高。添加B4C后熔覆层耐磨性增强,这是因为合金中大量的细小硬质相(碳化物、硼化物)起到了抵抗磨损的作用;当y=0.6时,合金第二相含量增多,致使熔覆层脆性过高,从而导致合金耐磨性下降。合金的耐蚀性随B4C含量的增加先升高后降低,(B4C)0.4的耐蚀性最好,这与合金的显微组织紧密相关,合金组织越细密,成分分布越均匀,耐蚀性越好。综上,FeCoCrNiMnTi0.6(B4C)0.4熔覆层可获得优良的综合性能。
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