1、20钢基体表面熔渗高熵合金工艺及性能研究摘要：高熵合金作为新近发展起来的合金体系，打破了传统合金以一种元素为基的格局，具有独特的组织结构和性能特点。高熵合金由五种及以上金属元素组成，每种元素都具有较高的原子百分比，在50%-35%之间。这种合金的突出特点是具有高熵效应，高熵效应的影响使高熵合金具有许多有别于传统合金的组织和性能特点，往往表现出显微结构简单化、纳米析出物及非晶结构、纳米晶粒等组织特征和高强度、高硬度、耐磨、耐腐蚀等性能特点。表面涂层技术是改善模具使用性能的重要手段。目前已开发了多种涂层材料以适应模具不同的使用条件，成形技术也取得了长足的发展。对模具表面涂覆高熵合金获得涂层的技术有
2、很高的研究和使用价值，可以充分利用高熵合金的高硬度、高耐磨性等力学性能优势，提高模具的使用寿命，降低制造成本，是今后模具表面涂层技术的发展目标。本论文选取Al、Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti、Si八种常用的金属元素，将该系列高熵合金涂覆到各基体表面，通过电加热炉加热、感应加热使高熵合金与基体更好的结合，获得在20钢基体表面熔渗高熵合金的合适工艺参数，通过电子显微镜的观察获得显微组织照片，通过性能测试获得力学性能的实验数据。关键词：高熵合金，涂层，硬度20 steel substrate surface aluminized high entropy alloys technology an
3、d performance studyAbstract：High entropy alloy, as a new developing alloy system, breaks through the traditional alloy design frame work which is based on one major alloy element. In addition, it presents especial microstructure and novel properties. High一 entropy alloy contains five or more element
4、s, each element has a high percentage of atoms between 50% and 35%. It is an alloy of the salient characteristics of high-entropy effect. Because of the high-entropy effect. high-entropy alloys has many different microstructure and performance characteristics from traditional alloys. High-entropy al
5、loys often show the microstructure of simplification, nano separation material and amorphous structure, nano-grain characteristics and the performance of high strength, high hardness, wear resistance, corrosion resistance etc.Mould surface coating and its forming technology is an important method of
6、 improving mould operating performance.Various coating materials have been developed to adapt to the different requirements of moulds and thus the forming technology has also made great progress. By analyzing the current situation of mould coating forming technology and its applications, the author
7、points out that the development targets to the mould coating materials and its processing would focus on the optimize the coating materials design, increase the producting efficiency and lowering the manufacturing cost.This paper picks Al、Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti 、Si eight commonly used metals. this series
8、 of high entropy alloys coating to the substrate surface, through the electric heating furnace, induction heating, keeping better combination of high entropy alloys and matrix, obtained in 20 steel substrate surface melt infiltration of high entropy alloys suitable process parameters of microstructu
9、re were obtained through the observation of electron microscope photos, mechanical properties of experimental data obtained through performance test.Keyword：high entropy alloys，coating，hardness 目 录1 前言11.1 多主元高熵合金的定义11.2 多主元高熵合金的结构特征11.3多主元高熵合金的性能特点21.4 多主元高熵合金的制备工艺31.4.1 真空熔炼法31.4.2 磁控溅射法41.4.3 机械合
10、金化法41.4.4 电沉积法41.4.5 其他方法41.5 多主元高熵合金国内外研究现状41.6 高熵合金可应用的领域51.6.1 高速切削用刀具51.6.2 各类工、模具61.6.3 高尔夫球头61.6.4 超高大楼的耐火骨架71.6.5 化学工程、船舶的耐蚀高强度材料71.6.6 涡轮叶片71.6.7 电子器件、通讯领域71.6.8 其它71.7 涂层技术81.7.1 高温抗氧化涂层的基本要求81.7.2 高温抗氧化涂层的种类92 熔渗高熵合金试样的制备112.1 配制高熵合金112.1.1 合金元素的选择及合金成分的设计112.1.2 工艺路线112.1.3 实验步骤及过程122.2 粘
11、结剂的配制132.2.1 粘结剂的概念132.2.2 粘结技术的特点132.2.3粘结剂的组成142.2.4 粘结剂的配制方法142.3 熔渗高熵合金试样的制备142.3.1 常规金相试样的制备152.3.2 20钢熔渗高熵合金试样的制备173 20钢基体熔渗高熵合金工艺研究203.1 20钢的定义203.2 20钢材料的成分203.3 20钢组织203.4 20钢相关性能213.4.1 特性213.4.2 力学性能223.4.3 许用应力223.5 20钢用途223.6热处理炉加热熔渗高熵合金工艺223.6.1 工艺步骤223.6.2 工艺温度曲线243.7 感应加热熔渗高熵合金工艺243.
12、7.1 感应加热的基本原理243.7.2 感应加热的特点263.7.3 感应加热新工艺274 20钢基体熔渗高熵合金组织及性能研究294.1 硬度测试294.1.1 维氏硬度计的原理294.1.2 维氏硬度的表示方法294.1.3 维氏硬度实验优缺点304.1.4 维氏硬度计的应用314.1.5 维氏硬度计的操作步骤314.2 金相显微组织观察324.2.1 操作步骤324.2.2 注意事项324.3 基体组织及性能334.3.1 基体显微组织334.3.2 基体硬度测试344.4 感应加热熔渗八组元高熵合金的组织及性能364.4.1 感应加热熔渗八组元高熵合金的微观组织364.4.2 感应加
13、热熔渗八组元高熵合金的力学性能374.5 感应加热熔渗五组元高熵合金的组织及性能394.5.1 感应加热熔渗五组元高熵合金的显微组织394.5.2 感应加热五组元熔渗高熵合金的力学性能394.6 五组元热处理炉加热熔渗高熵合金的组织及性能414.6.1 五组元热处理炉加热熔渗高熵合金的微观组织414.6.2 五组元热处理炉加热熔渗高熵合金的力学性能414.7 组织比较与性能比较434.7.1 组织比较434.7.2 性能比较43结论45参考文献46致谢47II1 前言1.1 多主元高熵合金的定义多主元高熵合金由至少5种以上的主要元素构成,混合熵对于这类合金而言,扮演了一个十分重要的角色。熵是热
14、力学上代表混乱度的一个参数,一个系统的混乱度愈大,熵就愈大。根据Boltzmann关于熵变与系统混乱度关系的假设,n种等摩尔元素混合形成固熔体时的熵变(配位熵):Sconf=R ln(n),当n=2、3和5时,Sconf分别为0.69R、1.10R和1.61R。如果考虑原子振动组态、电子组态、磁矩组态等的正贡献,系统的熵变还要大。传统合金以1种元素为主,其混合熵约小于每摩尔0.693R。为了与传统合金有明显的区别,且充分发挥多主元高乱度的效应,一般定义高熵合金的主要元素数目n5。基于以上估算,如果将合金世界以混合熵来区分,传统合金属于低熵合金的范畴,中熵合金则介于高熵合金与低熵合金之间,此范畴
15、主要是指主元素的个数为24。当然上述定义只能视为大约的界线。在新合金观念下设计的高熵合金系统无以计数,远超过传统合金,例如从周期表103种元素中的80种金属元素中取13种常用的金属元素配制成五元、六元、七元、八元、九元、十元、十一元、十二元、十三元合金,将可获得7099种合金系统。对于每一种合金系统可设计成简单的等摩尔比合金,也可设计成非等摩尔比合金,当然也可以添加次要元素来改良合金性能1。1.2 多主元高熵合金的结构特征(1) 显微结构简化,不倾向于出现金属间化合物 根据经典的Gibbs相率,n种元素的合金系统的平衡相的数目p=n+1,在非平衡凝固时形成的相数pn+1。按照传统合金的特点,人们都认为多个主元素合金将产生多种金属间化合物,恶化合金的机械性能。然而研究发现多主元高熵合金显微组织中形成简单的体心立方或面心立方相或非晶质,不倾向于
