T12钢基体表面熔渗高熵合金（含Mo）工艺及性能研究.docx

1、T12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。作为碳素工具钢的一种，T12钢常用来生产冲压模具和切削刃具，将高熵合金作为涂层涂到T12钢表面，可显著提高T12工具表面的硬度和耐磨性，提高产品的使用寿命。本文通过一系列实验来研究高熵合金在不同金属基体材料上获得的熔渗层的工艺、组织和性能。主要进行以下实验：高熵合金在T12钢和T8基体表面熔渗工艺实验，对熔渗高熵合金的材料表面进行显微组织观察，测定熔渗后材料的表面硬度。关键词：高熵合

2、金、T12钢、表面熔渗T12 steel substrate surface aluminized high entropy alloy organization and performance studyAbstract: high entropy alloys have the excellent properties of some traditional alloy, such as high strength, high hardness, high wear resistance, corrosion resistance, heat resistance, high resist

3、ance, etc., to become in the field of materials science and condensed matter physics relay bulk amorphous after a new research hotspot. At present, the research of high entropy alloys are more concentrated in the as-cast performance testing, we know that the as-cast under the performance of the prod

4、uct has a natural defects (such as caused by heat bilges cold shrink hole, osteoporosis, etc.), and after the heat treatment and hot working performance study lack of reports.As a kind of carbon tool steel, T12 steel with high hardness, wearability, but toughness is low, in view of high entropy allo

5、ys with high hardness, strength, wear resistance and other characteristics, considering the high entropy alloys as coatings to T12 steel surface, melt infiltration, so that we can get higher T12 steel strength.To this end, we will conduct a series of comparative experiments. To study the high entrop

6、y alloy melt infiltration in different metal substrate material for aluminized layer on organization and performance. We mainly make the following experiments: the high entropy alloys in T12 steel substrate surface melt infiltration process experiment, aluminized high entropy alloys microstructure o

7、bservation, mechanical properties such as hardness, wear resistance experiments.Keywords: high entropy alloys, T12 steel, surface melt infiltration目录1前言11.1概述11.2高熵合金的定义11.3 高熵合金的组织特点11.4高熵合金的性能特点21.4.1高强度与硬度21.4.2良好的耐磨性31.4.3良好的塑性和韧性31.4.4耐热性31.4.5耐腐蚀性41.5涂层技术41.5.1热喷涂技术41.5.2.物理气象沉积技术（PVD）41.5.3.化

8、学气相沉积技术（CVD）41.5.4湿法沉积51.6 高熵合金涂层的制备51.6.1真空电弧熔炼技术51.6.2机械合金化51.6.3磁控溅射技术61.6.4热喷涂技术61.6.5激光熔覆法61.7高熵合金的应用61.8高熵合金的研究现状71.9高熵合金的前景82熔渗高熵合金试样的制备92.1配制高熵合金92.1.1配置八组元高熵合金92.1.2配置五组元高熵合金92.2配制粘结剂102.3 T12钢基体熔渗高熵合金试样的制备102.3.1 制备光滑面基体熔渗高熵合金试样102.3.2 制备粗糙面基体熔渗高熵合金试样102.4高熵合金试样制备使用仪器103基体熔渗高熵合金工艺及组织研究123.

9、1基体材料成分、组织、性能介绍123.1.1 T12钢化学成分123.1.2 T12钢基体组织123.1.3 T12钢性能简介133.2热处理炉加热熔渗高熵合金工艺133.2.1 T12钢热处理炉加热后与原基体图片对比133.2.2 T8钢热处理炉加热后与原基体图片对比143.3五组元感应加热熔渗效果143.3.1 T12钢五组元感应加热熔渗143.3.2 T8钢五组元感应加热熔渗153.4 对比T12钢基体，热处理炉加热，感应加热后163.5基体熔渗高熵合金工艺研究使用仪器173.5.1金相抛光机173.5.2三目倒置金相显微镜184基体熔渗高熵合金力学性能研究204.1基体熔渗高熵合金力学

10、性能研究使用仪器204.1.1 维氏硬度计简介204.1.2维氏硬度计用途214.1.3维氏硬度计原理214.1.4 维氏硬度计工作环境214.2维氏硬度的表示方法224.3维氏硬度试验注意事项224.4感应加热力学性能234.4.1 T12钢感应加热234.4.2 T8钢感应加热24结论27参考文献28致谢30VI1前言 1.1概述高熵合金的提出是基于20世纪90年代大块非晶合金的开发，人们都致力于寻找具有超高玻璃化形成能力的合金。有人认为非晶或玻璃的原子混乱度高或熵高，而高熵必然导致高的玻璃化形成能力，所以有人提出一个混乱理论。但是，后来有学者发现高熵和高的玻璃化形成能力并不一致，倒是发现

11、有些高混合熵合金可以形成单相固溶体。对此，叶均蔚等认为这种固溶体是高混合熵稳定的固溶体，因此命名为高熵合金。至于为什么高混合熵合金玻璃化形成能力并不高，张勇等统计了大量的高混合熵合金，从原子尺寸差，混合焓和混合熵角度作了系统分析，并用Adam-Gibbs方程作出了解释1。已有的研究报道发现，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。目前，高熵合金的研究多是集中在铸态下的性能测试，我们知道铸态下的产品有着天然的性能缺陷(如由于热胀冷缩造成的空洞、疏松等)，而对其热处理、热加

12、工后的性能研究缺少有报道。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。1.2高熵合金的定义高熵合金一般可以被定义为由五个以上的元素组元按照等原子比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。多组元高熵合金是多种主要元素的合金，其中每种主要元素都具有较高的原子百分比，但每种元素的原子百分数不能超过35 ，也就是说这种合金是由多种元素集体起作用而表现出其特色。熵是热力学上代表混乱度的一个参数，混乱度越大，熵就越大。一个物质系统的熵，包括原子排列混合熵以及原子振动组态、电子组态、磁矩组态等所贡献的熵。对于合金而言，高熵合金

13、混合熵的计算以原子排列的混合熵为主。1.3 高熵合金的组织特点 根据Gibbs相律：F=C-P+1(F：自由度；C：组元数；P：相数)，在一个组元为C的合金系中，其最大平衡相数目P=c+1，在非平衡状态下，最大相数还会更大。传统合金的研究也认为，在多组元的合金系中更可能形成种类繁多的金属间化合物或者分别由各种基体元素之间相互形成的端际固溶体，使得合金结构极其复杂口 。而对高熵合金的研究发现 ，多主元高熵合金凝固后不仅没有形成数目众多的金属间化合物，反而形成了简单的体心立方或面心立方相为主的结构，其相组成相当简单，所生成的相数远远小于吉布斯相律的预测值，这与传统合金的设计经验完全相反。 之所以简

14、单固溶体会优于金属间化合物先行析出，其中的奥妙就在于该合金系统固有的高混合熵特性。现有研究结果表明，高熵效应能有效抑制脆性金属间化合物的出现，促进合金中简单的体心立方或面心立方结构的形成2。由于相及微结构的可鉴定性及单纯性，这极大的便利了我们对这一新型合金的研究，故高熵合金如同传统合金一样，是一个可分析、可了解的合金领域。 纳米析出甚至非晶化的现象是高熵合金的另一个重要的特色。合金微结构纳米化可使材料的力学、电化学及物理性能等许多性能得到增强。合金纳米化的倾向，主要原因与动力学理论有关。因为当高熵合金熔解时，所含元素混乱排列成为无序液体，凝固后，由于多元素的扩散及重分配，导致析出物的成核及长大

15、延迟，从而有利于纳米相的形成。对于快速凝固或真空镀膜而言，由于原子大小差异会造成晶格扭曲，高熵合金更能展现纳米化，甚至非晶化的倾向。据报道，目前中国台湾清华大学正联合工研院材料所等单位开展高熵合金纳米化和非晶化的研究计划。1.4高熵合金的性能特点高熵合金和传统合金在性能上相比，最显著的特点就是高熵合金可以同时拥有极高的硬度、耐热性及耐蚀性。而据现在所知的任何一种传统合金都不能在熔铸后集这三种性能为一体6,7。1.4.1高强度与硬度高熵合金具有较高的硬度和强度。研究发现，多数高熵合金的铸态组织硬度为600 900HV，相当于或者大于碳钢及合金碳钢完全淬火硬化后的硬度 ；改变合金元素的含量，还可进一步提高合金的硬度。1.4.2良好的耐磨性高熵合金具有良好的耐磨性。研究AlxCoCrCuFeNi高熵合金的粘着磨损行为时发现，随着Al元素的增加，合金的硬度提高，磨损机制为氧化磨损，在合金表面形成的氧化膜有助于抵抗磨损。当铝的含量较低时( x =0.5)，合金由简单的面心立方（FCC）