Cu单元素基合金表面激光高熵合金化的研究

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高熵合金是目前发展起来的含有五种以上主要元素且呈现出FCC和BCC结构的固溶体相合金,其具有高硬度、高强度,较好的耐磨性、耐腐蚀性能以及优异的抗氧化性能。激光表面改性技术可以实现在低成本的金属材料表面,制备出高性能的涂层。本课题采用Nd:YAG固体脉冲激光器、半导体、CO2及光纤激光器分别在纯铜表面进行系列激光高熵合金化层的制备,研究激光辐照工艺对高熵合金化层的成形质量、显微组织、性能的影响规律。利用金相显微镜、扫描电镜、能谱仪、X-射线衍射仪、显微硬度仪、纳米压痕仪及往复摩擦实验机对合金化层组织形貌、成分、相结构及性能进行系统研究。试验结果表明:激光快速成形四元FeCoCrAl合金是由BCC和两种金属间化合物组成,利用Nd:YAG激光辐照可使FeCoCrAl四元合金粉末在纯Cu表面反应合成制备FeCoCrAl/Cu五元高熵合金化层,合金化层具有简单固溶体结构。随Nd:YAG激光器电流增大,合金化层组织由颗粒状向胞状转变。热力学分析表明,FeCoCrAl/Cu激光高熵合金化层满足形成固溶体的条件。由于固溶强化和晶粒细化作用使高熵合金化层硬度明显提高。采用半导体、CO2及光纤激光合金化技术制备的FeCoCrAlNix/Cu(x=0,0.5,1,1.5)高熵合金化层,随Ni元素的加入,合金化层的相组成由FCC+BCC逐渐转变成单一FCC结构,其硬度呈下降趋势。分别加入Mo和Ti元素的合金化层除了含有简单固溶体相外还出现其他相,而加入Si元素的合金化层仍为简单固溶体,且成形性较好。往复磨损试验表明,FeCoCrAlNix/Cu(x=0,0.5,1,1.5)激光合金化Ni含量变化时,耐磨性与硬度变化规律并不一致,FeCoCrAlNi/Cu合金化层由于经络状组织的存在,耐磨性较好。此外,FeCoCrAlSi0.5/Cu合金化层磨损表面仍较平滑,无明显的黏着,只出现少量黑色颗粒,磨损量较小。由于激光功率密度以及材料对不同波长的激光吸收率的差异,不同的激光合金化层显微组织各异,经计算,Cu对不同波长激光吸收率及合金化过程中激光能量密度依次为:CO2激光<光纤激光<半导体激光。结合激光高熵合金化宏观成形性、组织、性能及制备工艺,利用光纤激光在Cu基材表面实现高熵合金化为最优方法。
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