1、合金元素Mo对高熵合金涂层与基体界面结构影响规律摘要：近年来,高熵合金的研究已成为材料研究的热点之一,它突破了以一种或两种元素为主元的合金设计,发展出一种新的合金设计理念。高熵合金是采用至少五种元素按照等摩尔比或近等摩尔比进行混合形成的合金。多主元的混合产生高熵效应,使得高熵合金具有简单的微结构，高熵合金在各个方面表现出良好的性能,引起科学界的广泛关注和积极探索。本论文选取Al、Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti、Ni八种常用的金属元素，采用高频感应加热技术获得高熵合金涂层，研究比较AlCrCoFeNiMoTi0.75Si0.25及AlCrCoFeNiTi0.75Si0.25两系列高熵合金涂层
2、表面微观组织的差别。再将合金在1000下保温三小时随炉冷却，从而对熔覆态与退火态的表面微观组织进行比较研究。关键词：高熵合金，合金元素Mo，涂层，微观组织，退火Mo alloy elements of high entropy alloy coating and substrate interface structure are studiedAbstract: In recent years, the research of high entropy alloys has become one of the hotspots of research, it broke through the
3、 RMB is given priority to with one or two elements of alloy design and develop a new alloy design concept. High entropy alloy is to use at least five elements according to the mole ratio or nearly mole ratio of mixture formation of the alloy. Principal component mix to produce more high entropy effe
4、ct, makes the high entropy alloys has a simple microstructure, high entropy alloys show good performance in each aspect, cause the extensive concern of the scientific community, and actively explore.This paper select Al, Cr, Co, Fe, Ni, Mo, Ti, Ni, eight kinds of commonly used metal elements, using
5、high frequency induction heating technology to obtain high entropy alloy coating, study compared AlCrCoFeNiMoTi0.75Si0.25 and AlCrCoFeNiTi0.75Si0.25 two series of high entropy alloys coating surface microstructure difference. Then alloy under 1000 heat preservation with furnace cooling, three hours
6、to the surface of the cladding and annealing states a comparative study of microstructure.Keyword：High entropy alloys, Alloy element Mo, coating, microstructure, annealing目录1 绪论11.1概述11.2课题研究的目的及意义11.3本文研究的主要内容22文献综述42.1高熵合金的定义及理论依据42.1.1高熵合金的定义42.1.2高熵合金的理论依据42.2高熵合金的制备方法62.2.1真空电弧炉熔炼62.2.2高频感应炉加热熔
7、炼72.2.3激光熔覆技术72.2.4高频感应加热熔覆技术82.3高熵合金的发展及现状92.3高熵合金的组织结构与性能特点92.3.1高熵合金的组织结构92.3.2高熵合金的性能102.4高熵合金多主元效应112.5高熵合金的应用133实验方法及过程163.1试样的制备163.1.1高熵合金粉末的制备163.1.2基体材料的选择172.1.3高熵合金涂层的制备193.2合金试样的金相组织观察213.2.1试验机机构介绍213.2.2试验步骤223.2.3注意事项243.2.4实验结果及分析243.3合金试样的扫描电镜实验303.3.1扫描电镜的原理303.3.2扫描电镜的机构组成303.3.3
8、扫描电镜实验结果分析314 结论345 参考文献356致谢37III1 绪论1.1概述一直以来，人们一直都秉承着以单一元素或化合物为基体，并向其中加入其他少量元素进行强化的设计理念。直到台湾清华大学叶均蔚教授提出了“多主元高熵合金”的全新概念，高熵合金是在传统设计理念的基础上发展起来的新型合金，它突破了以一种或两种元素为主元的合金设计，发展出一种新的合金设计理念。高熵合金是采用元素周期表中至少五种以上元素按照等摩尔比或接近等摩尔比进行混合形成的合金。多主元的混合产生高熵效应，使得高熵合金晶体结构倾向于形成简单体心或简单面心结构，高熵合金的性能比传统合金具有较大优势，高熵合金在各个方面表现出来的
9、优良性能，引起了科学界的广泛关注和积极探索。髙熵合金在晶体结构及各种性质上与传统合金有极大的差异，主要包括一下几个方面：(1)不但能形成简单的BCC和FCC结构甚至易产生纳米相和无序的非晶相；(2)具有良好的热稳定性；(3)极高的硬度、温室强度和良好的塑性变形能力;(4)优越的耐腐蚀和耐磨性能。一般来说，传统概念的固溶体特性是具有较好的塑性变形能力，但硬度和强度较低，通常只能作为基体相。而基于多主元构成髙熵合金形成的固溶体有着较高的强度和硬度，甚至高于非晶合金的强度，同时还具有良好的热稳定性和耐磨耐蚀特性，为新型结构材料的设计提供了丰富的空间。本论文选取AI、Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti
10、、Si八种常用的金属元素，本次设计我们需要配置两组高熵合金粉末，其中一组含有Mo元素，另外一组不含Mo元素，运用金相显微镜、SEM、XRD等手段对高熵合金涂层进行微观组织的分析，通过分析比较两组高熵合金涂层表面与横断面微观组织的不同。研究发现：该合金系都形成了简单的BCC、FCC及BCC+FCC结构固溶体，性能具有一定的优越性，Mo含量对加强合金耐腐蚀性、耐磨以及硬度起着十分重要的作用，发展应用前景十分广阔。1.2课题研究的目的及意义金属材料的发展对人类文明有着极大的影响。随着现代科技技术的发展，人类对材料的性能提出越来越高、越来越多的要求。传统的单一材料已不能满足使用要求，因此，金属材料由原
11、来的纯金属发展成传统合金，传统合金设计方式主要是以一种或两种元素为主组元，而后加入其它的少量元素来改善合金的组织结构以及所需的相关性能。如铝合金，镁合金等。但是传统合金因组元过多会导致在组织中形成金属间化合物等多种复杂的微结构，使材料难以加工和分析。在2004年，中国台湾学者叶均蔚等人提出了一种新型的合金设计理念，即多主元高熵合金。高熵合金是一种由至少五种元素按照等摩尔比或接近等摩尔比配制而成，每种组元都可以认为是溶质原子，每种主元素的原子百分比含量都应在5 %35 %之间。高熵合金成分设计理念突破了传统合金设计模式，通过合金成分优化设计，使高熵合金具有高强度、高硬度、耐高温蠕变、耐高温氧化和
12、耐腐蚀等优异性能，有很广泛的潜在应用领域。由于高熵合金具有较高的熔点、硬度、抗磨损能力、抗腐蚀能力、抗高温氧化能力等优点可做成高熵合金涂层，高熵合金涂层不仅对基底起了保护作用，而且降低了成本，最重要的是高熵合金涂层能实现基底所不能实现的物理、机械、化学性能等。由于高熵合金的塑性差，加工性能低使其目前还没有得到广泛的应用。因此，研究如何提高合金的塑性和加工性能，具有重要的理论及实际意义。未来几十年内，高熵合金将成为具有发展潜力的研究热点之一。高熵合金与大块金属玻璃和橡胶金属被认为是近几十年来合金理论的三大突破，它是一个可合成、分析和控制的合金领域,可以开发出大量的高科技材料,而且可以采用传统的熔
13、铸、铸造、粉末冶金、喷涂法及镀膜法来制作块材、涂层或薄膜。因此高熵合金的研究具有前瞻性,具有学术研究及应用价值。由于应用潜力多元化,因此传统合金工业的升级及高科技产业的发展也将为高熵合金开辟无限发挥的空间,对传统冶金和钢铁行业的提升具有重要意义。1.3本文研究的主要内容高熵合金的研究现在还处于初级阶段，无论是从理论上，还是从具体实验的设置及结果上，所出的成果还是很少。人们对高熵合金的合金化过程机理及其中涉及到的诸多科学问题，基本上还没有很好的认识和解释。对于怎样选择合金的元素种类，也没有科学的依据可循。此外，对高熵合金凝固后的微观组织结构、相的成分与合金的机械性能、物理性能和化学性能之间的关系
14、，也还没有找到其间的规律性。因此有待于开展这方面的研究工作，探索其组织和性能的形成机理及其影响规律。本文选用A1、Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti和Si八种元素作为主元, 按摩尔比为1:1:1:1:1:1:0.75:0.25配置合金，配置出AlCrCoFeNiMoTi0.75Si0.25及AlCrCoFeNiTi0.75Si0.25系高熵合金，用高频感应获得高熵合金熔覆层，选取高速钢W18Cr4V为基体材料。,并对其晶体结构、显微组织进行研究,主要包括以下几方面内容:l 利用高频感应熔覆技术制备高熵合金熔覆层。l 通过金相显微镜、扫描电子显微镜观察高熵合金涂层表面微观组织结构。l 分析实验数
15、据总结合金元素Mo对高熵合金涂层微观组织影响规律。l 分析实验数据总结热处理前后对高熵合金涂层微观组织影响规律2文献综述2.1高熵合金的定义及理论依据2.1.1高熵合金的定义一般把多组元高熵合金定义为：由N (5)种金属或金属与非金属,以等摩尔比或接近等摩尔比(各组元原子百分比不超过35%)经熔炼、烧结或其他方法组合而得到的具有金属特性的合金材料。所谓多主元高熵合金，就是由多种主要元素组成的合金,尤其是五元以上的合金,并且各个主要元素具有较高的原子百分数,一般在5%到35%之间。迄今,以面心立方固溶体为主要结构的CoCrCuFeNi合金以及以体心立方固溶体为主要结构的AlCoCrFeNi合金己成为被广泛报道的典型合金。2.1.2高熵合金的理论依据众所周知，熵是表示体系混乱程度的物理量，它的大小能够影响体系的热力学稳定性。根据熵和系统复杂性关系的玻尔斯曼(Boltzmann)假设可以知道，n种元素以等摩尔形成固溶体时，形成的摩尔熵变 Sconf可以通过以下的公式表示：Sconf=-klnw =-R(1/nln1/n+1/nln1/n+1/nln1/n)=R(1/nlnn+1/nlnn+1/nlnn)=Rlnn在此式中 k 代表玻尔兹曼常数，w 代表混乱度，R 为摩尔气体常数：R =8.3144 J/(mol.K)。通过以上公式
