60钢基体表面熔渗高熵合金（含Mo）工艺及性能研究.doc

1、60钢基体表面熔渗高熵合金工艺及性能研究摘要：高熵合金具有一些传统合金所无法比拟的优异性能，如高强度、高硬度、高耐磨耐腐蚀性、高热阻、高电阻等，从而成为在材料科学和凝聚态物理领域中继大块非晶之后一个新的研究热点。有人曾预言，未来几十年内，最有发展潜力的三大研究热点是大块非晶、复合材料和高熵合金。 本论文研究了在60钢和其它几种钢材表面，利用感应加热方法获得高熵合金涂层的具体工艺，对高熵合金的涂层进行了组织观察和力学性能的检测。实验结果表明，在钢的基体上是可以获得高熵合金涂层的；涂有高熵合金的金属表面相比于金属基体本身，其力学性能都有提升。 关键词：高熵合金，涂层，组织性能60 steel al

2、uminized high entropy alloy organization and performance studyAbstract：High entropy alloy has excellent performance of some traditional alloyincomparable, such as high strength, high hardness, high wear resistance, highcorrosion resistance, high resistance, thus becoming in material science and cond

3、ensed matter physics field relay bulk amorphous after a new hotspot.Someone had predicted, the next few decades, the three major research focus is the most development potential is bulk amorphous alloys, composite materials and high entropy alloy. This paper studied on 60 steel and other steel surfa

4、ce, the specific process to get high entropy alloy coating by induction heating method, coating on the high entropy alloy were tested to observe and mechanical properties of tissues. The experimental results show that, in the steel matrix can obtain high entropyalloy coating; coated with metal surfa

5、ce and high entropy alloy compared to metal base itself, have increased the mechanical properties.Keywords：High entropy alloys, Coating, Organizational performance, Development目 录1 前言11.1 高熵合金的概念11.2.1 性能特点11.2.2 性质21.3 高熵合金的组织结构31.3.1 CuCoNiCrFe合金31.3.2 CuMoNiCrFe合金41.3.3 AlCoNiCrFe合金51.4 高熵合金的制备61

6、.4.1 真空电弧熔炼技术71.4.2 机械合金化71.4.3 磁控溅射技术71.4.4 热喷涂技术81.4.5 激光熔覆法81.5 国内外研究现状81.5.1 高熵合金的发展81.5.2 高熵合金的研究进展91.5.3 高熵合金的发展展望91.6 表面涂层技术102 熔渗高熵合金试样的制备112.1 配制高熵合金112.1.1 八组元高熵合金112.1.2 五组元高熵合金112.2 粘结剂的配制112.3 熔渗高熵合金试样的制备123.1 60钢材料的成份、性能及用途介绍133.1.1 化学成份及组织：133.1.2 性能133.1.3 用途143.2 热处理炉加热熔渗高熵合金工艺143.3

7、 感应加热熔渗高熵合金工艺153.3.1 感应加热的原理153.3.2 感应加热的特点153.3.3 感应加热器的选型164 60钢基体熔渗高熵合金组织及性能研究174.1 维氏硬度实验174.2 三目倒置金相显微镜194.3 金相抛光机204.4 基体的组织及性能214.4.1 基体的组织214.4.2 基体的性能224.5 五组元感应加热熔渗组织与性能234.5.1 五组元感应加热金相组织234.5.2 五组元感应加热性能24结论26参考文献27致谢28I1 前言1.1 高熵合金的概念高熵合金，也称多主元高熵合金，即该种合金是由多种主要元素组成，其元素种类一般在五种或五种以上，按照等原子比

8、或接近于等原子比合金化，其混合熵高于合金的熔化熵，一般形成高熵固溶体相的一类合金。换言之，五元合金相图中，在中间位置存在于固溶体相区，这种固溶体目前认为是混合熵稳定的固溶体。在热力学上，熵是代表一个物质系统的混乱度的参数，如果混乱度越大，熵就越大。图1.1以熵划分的合金示意图1.2 高熵合金的性能特点和性质1.2.1 性能特点 （1）强化机制 高熵合金的主要强化机制为固溶强化。高熵合金一般会形成简单结构的固溶体，大量不同种类的原子相互固溶，会导致严重的晶格畸变，从而产生很强的固溶强化效应。根据热处理条件的不同，高熵合金在冷却或退火过程中，还可能生成一定量的金属间结构相，纳米相，非晶相等，这些第

9、二相一般尺寸很小，并且弥散分布，可以产生第二相弥散强化作用1。 （2）高强度和高硬度 大量固溶原子产生晶格畸变，阻碍位错运动，使得高熵合金具有很高的硬度和强度，同时具有良好的耐蚀性能。 （3）高耐磨性 高熵合金的一系列强化效应使其具有较好的耐磨性能，合金元素的加入还可以改变其磨损机制（如Al元素增加，使分层磨损转化为氧化磨损，摩擦系数降低），其在磨具刀具方面有较多的应用。 （4）高热稳定性 高熵合金和非晶合金的一个很大的不同就是，高熵合金是一个热力学稳定的状态。同时，由于多种原子形成混乱的固溶体，扩散激活能很高，可以严重的阻碍扩散过程，因此当加热时，高熵合金能够保持其结构的稳定性。 （5）耐腐

10、蚀性 高熵合金含有大量的Cr、Co等元素，使其具有很强的耐蚀性能。同时，高熵合金枝晶间存在着大量纳米相和非晶，使得枝晶间的耐蚀性有所改善。1.2.2 性质 （1）热力学上的高熵效应 如图1.2所示，当合金由两种元素等原子比混合时其合金熔体的混合熵为069R，而由五种元素组成的等原子比合金熔体的混合熵已经可以达到161R，面一般金属合金的熔化熵为1R左右2。可以看出，高熵合金的混合熵要明显高于传统金属合金。同时从图中也可以看出，当等原子比合金熔体的混合熵随合金组元数的增加而增加，但是当组元数超过13以后，其合金熔体的混合熵增长的幅度将趋于平缓。图1.2 等原子比合金按正则溶体得到的混合熵和组元数

11、N的关系 （2）结构上的晶格畸变效应 高熵合金存在着严重的晶格畸变，严重的晶格畸变必然会影响到材料的力学，热学，电学等一系列性能3。如高热阻，高电阻效应。 （3）动力学上的迟滞扩散效应相变取决于原子扩散，它需要组元之间的协同扩散才能达到不同相的平衡分离。这种必要的协同扩散，以及阻碍原子运动的晶格畸变，都会限制高熵合金中的有效扩散速率4。在高熵合金的铸造过程中，冷却时的相分离在高温区间通常被抑制从而延迟到低温区间。 （4）性能上的“鸡尾酒”效应高熵合金的“鸡尾酒”效应是指其多种元素的本生特性和他们之间相互作用使高熵合金呈现一种复杂效应。这种“鸡尾酒”效应是一位印度科学家首先提出的。举例来说，如果

12、使用较多轻元素，合金的总体密度将会减小；如果使用较多的抗氧化元素，如铝或硅合金的高温抗氧化能力就会提高。1.3 高熵合金的组织结构1.3.1 CuCoNiCrFe合金 Cu、Co、Ni、Cr、Fe五中元素分别按等原子比进行混合熔炼研究。图1.3为CuCoNiCrFe高熵合金的X-ray衍射曲线。由图1.3所示，合金中只存在单一的FCC面心立方结构的衍射线，并无其他结构相衍射产生，其衍射强度较低，这主要是因为此合金选取的元素均为第四周期相互邻近元素5，其原子半径相差不大(Cu，Co，Ni，Cr，Fe的Goldschmidt直径分别为2.238,2.497,2.492,2.565,2.560），再

13、加上固溶相原子无序排列，同时存在微观应力使得衍射峰的峰高下降并且峰的宽度有所变宽。图1.3 合金CuCoNiCrFe的X-ray衍射曲线图1.4是CuCoNiCrFe五元高熵合金的金相组织图，组织为典型的树枝状晶，可以清楚地看到组织内部存在单一相的枝晶结构，没有其他相的存在。这种单一面心立方结构的出现使得合金的韧性有所增加。图1.4 合金CuCoNiCrFe的金相组织图1.3.2 CuMoNiCrFe合金 Cu、Co、Ni、Cr、Fe五种元素采用等原子比混合熔炼。图3为CuMoNiCrFe五元高熵合金的X-ray衍射曲线，经过分析发现，图中除了含有一组面心立方结构外，也发现了其他结构，但是衍射

14、峰强度明显提高。尽管采用晶体结构为体心立方的Mo代替了晶体结构为六方的Co，使五种组成元素的晶体结构变成了体心立方和面心立方两种，体心立方结构的比例增加，但在形成固溶体的过程中，Mo元素的进入并未影响整个合金的结构，一部分分散到FCC当中，可能也有部分形成其他相6。 从图1.5可以看出，由于Mo的引入使得不仅存在面心立方相，而且还出现了一些较明显的其他衍射峰，这说明出现了其他相。 图1.5 合金CuMoNiCrFe的X-ray衍射曲线 图1.6为合金CuMoNiCrFe的金相组织图，由图中可以知道除了含有一些枝晶相以外，还含有一些第二相，这些善良的第二相形成了金属间化合物。 图1.6 合金Cu

15、MoNiCrFe的金相组织图1.3.3 AlCoNiCrFe合金 此合金是以具有面心立方结构的Al代替具有面心立方结构的Cu元素，Al的含量与其他四元素的比例是1:1关系，图1.7是合金AlCoNiCrFe的X-ray衍射曲线。图中我们会发现，并未出现合金CuCoNiCrFe中的单一面心立方相和合金CuAlNiCrFe中的面心立方和体心立方的结合结构，而是以单一的体心立方相存在。用Al元素代替Cu元素以后。合金中失去了Cu原子导致FCC结构的作用，大大削弱了面心立方相形成的能力7。再者与其他几种元素比，Al元素与Ni元素的键结合能力最强。所以当Al进入后，首先与Ni结合形成有序体心立方超晶格结构的NiAl固溶相，其他元素也均匀固溶在NiAl固溶相中形成单一固溶体。 图1.7