激光熔覆含硼高熵合金涂层组织与性能研究

发布时间：2019-07-22 15:58

【摘要】：多组元高熵合金是基于等摩尔比、高混合熵的设计思路而发展起来的。与传统的单主元或两主元合金不同,高熵合金通常由5种或5种以上的元素组成。由于高熵效应,系统通常形成简单的面心立方(FCC)或体心立方(BCC)固溶体,无或微量金属间化合物生成。与传统合金相比较,高熵合金具有很大的研究与应用前景。目前主要通过传统熔铸方法制备高熵合金,但关于高熵合金涂层,尤其是含硼高熵合金涂层的研究报道较少。为了得到高质量的高熵合金涂层,本文通过激光熔覆技术在Q235表面制备了变硼系列的FeCoNiCrAlxCu0.7Si0.1By(x=0.3,2.3;y=0.15,0.3,0.6)和变Al系列的FeCoNiCrAl_xCu_(0.7)Si_(0.1)B_(0.3)(x=0.7,1.0,1.2,1.5,1.8)高熵合金涂层。光学显微镜(OM)、维氏硬度计、X-射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)等实验设备应用于本实验,来研究B元素的含量、Al元素的含量、激光熔覆工艺对含硼高熵合金涂层组织结构和力学性能的影响。实验结果表明:变硼系列的FeCoNiCrAl_(0.3)Cu_(0.7)Si_(0.1)B_x涂层由简单FCC相组成;FeCoNiCrAl2.3Cu0.7Si0.1Bx涂层由简单BCC相组成,均未出现明显第二相析出物。当涂层中硼含量逐渐增多,枝晶间Cr元素更加富集,晶内区域Cr含量逐渐减少,涂层中成分偏析现象进一步加重。硼元素在FCC相晶格间隙的固溶度明显高于BCC相。硼添加量不宜过多,在涂层中加入过量的硼会造成严重的成分偏析,树枝晶增粗,并使涂层的塑韧性大大恶化。本文的研究结果显示:应用于激光熔覆领域的含硼高熵合金中硼元素的添加相对组成量x以不超过0.3为宜。变Al系列的FeCoNiCrAl_xCu_(0.7)Si_(0.1)B_(0.3)高熵合金涂层(x=0.7,1.0,1.2,1.5,1.8)具有较简单的晶体结构,Al含量x≤0.7时,此时XRD结果显示涂层为单相的FCC固溶体。Al含量x=1.0时,涂层为FCC+BCC双相结构。硼元素的加入促进了FCC相形核,显著推迟FCC相向BCC相转变。Al含量x≥1.2时,涂层由简单的BCC相构成,FCC相基本消失。当Al含量x≥1.5时,涂层枝晶间析出少量层片状的类似析出物。Al含量的增加会使涂层的相结构发生改变,同时涂层的硬度会显著提高,但其断裂韧性会逐渐降低。Al含量x=1.2时,涂层为单相的BCC固溶体,树枝晶细小均匀,此时涂层的综合性能最佳。经过一系列温度梯度的高温退火后,涂层树枝晶组织逐渐熔断,原存的少量类似析出物在高温下基本溶解,涂层晶体结构未发生变化。总体上合金涂层经退火后硬度小幅度下降,断裂韧性有所提升。同样组成的含硼高熵合金,通过真空熔炼制成的合金块体与利用激光熔覆制成的合金涂层相比,涂层中硼化物的析出明显受到很大的抑制,形态也发生显著改善。无论是显微硬度还是断裂韧性,涂层均高于块体,显示出激光快速凝固技术在制备高熵合金方面的优越性。在保证涂层与基体冶金结合良好的前提下,增大激光扫描速度会使得显微组织变得更加细小,合金涂层的硬度与断裂韧性都有所提高。在高熵合金涂层中加入适量的Mn和Mo元素,均促使FCC相的形成,涂层中无明显第二相析出,合金涂层均显示良好的断裂韧性。在涂层中复合添加Mn和Mo元素,并除去Cu元素后,涂层经过1200℃高温退火,硬度仅下降3%,显示出良好的高温稳定性。
【学位授予单位】：安徽工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG174.4;TG139

【参考文献】