激光熔覆AlMoNbV基高熵合金涂层的微观组织和高温抗氧化性能
发布时间：2021-06-13 19:07
由于钛合金具有密度小、比强度高、生物相容性等优点,在航天航空、汽车、生物医疗等许多领域都有应用,但是当钛合金的工作温度超出650℃时,钛合金表面会发生严重的氧化,钛合金的抗蠕变能力和高温抗氧化性都会急剧下降,导致零件失效,失去其使用价值。对钛合金表面改性,使其表面具有良好的高温抗氧化性能是解决这一问题的关键。本文针对TC4钛合金高温抗氧化性不足的缺点,结合高熵合金形成的理论判据,开发设计出AlMoNbV、AlMoNbTiV、AlCrMoNbV高熵合金,并且利用激光熔覆的方法,在TC4基体表面制备AlMoNbV、AlMoNbTiV、AlCrMoNbV高熵合金涂层,通过对涂层表面宏观形貌的观察,确定最佳熔覆工艺参数。然后对涂层的相组成以及微观组织,显微硬度进行测试,最后将熔覆三种涂层的试样和TC4基体放入管式炉中进行高温氧化实验,通过对氧化层表面、氧化层截面进行组织和成分分析,进一步分析涂层抗氧化机理。激光熔覆实验结果表明:在TC4基体制备高熵合金涂层的最佳工艺参数为:激光功率P=3.7 kW,扫描速度V=600 mm?min-1。AlMoNbV、AlMoNbTiV和...
【文章来源】：昆明理工大学云南省
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
激光熔覆原理图
第一章绪论91.4.1高熵合金的特点根据目前的研究，总结出高熵合金的四大特点为：（1）高熵效应，（2）迟滞扩散效应，（3）晶格畸变效应，（4）鸡尾酒效应。这四个特点的讨论如下。1）高熵效应一般传统金属合金的混合熵在1R附近，高熵合金的混合熵一般大于1.61R，其混合熵要明显高于传统合金。这种高熵效应使得系统倾向形成稳定的高熵相，例如固溶体相，根据吉布斯相形成规律，在平衡条件下，合金的相数为：=+1(1-4)式中，为相的数量，为组元数目，为系统热力学自由度。在压力一定的前提下，当系统的组元数目为6时，平衡状态下的相数为7，然而高熵合金形成的相数目远远小于吉布斯相率所计算的最大数目。如图所示1.2所示，当主元数为6时，形成的相结构一般为2种，当主元数为8时，形成的相结构一般为3种[66]。这是由于形成固溶体的混合熵大于形成金属间化合物的熵值，这种高熵效应促进形成结构简单的固溶体，避免了金属间化合物的生成。图1.2不同主元数的合金所形成的相数目汇总[66]Fig.1.2SummrayofthenumberofphasesformedbyalloyswithdifferentpivotNumbers[66]2）迟滞扩散效应合金在凝固过程中，组元扩散的速度不同，合金凝固后组织和相结构也会发生改变。合金在熔融状态下，合金中原子排列处于混乱状态，在凝固时各元素需要协同配合扩散才能完成分相。高熵合金中元素的种类多，各元素的原子尺寸和化学活度不同，任何元素的扩散都将受到其他元素相互牵制[67]。已有研究证明相对于纯金属或者不锈钢中元素的扩散系数，高熵合金的元素扩散系数最小[68]，如
昆明理工大学硕士学位论文10图1.3所示，高熵合金中每种元素的扩散速率明显小于其他合金的扩散速率。3）晶格畸变效应与单一组元的晶格点阵不同，高熵合金中元素种类较多，并且以等摩尔存在，各元素占据晶格结点具有随机性，由于每种元素的原子半径大小不同，所以会造成严重的晶格畸变。如果原子尺寸相差足够大，畸变的晶格将会坍塌而形成非晶相。如图1.4（a）所示，纯金属铬的晶格点阵由铬元素占据，图1.4（b）采用钛、铝、镍、铁等元素随机替换铬元素晶格点阵的位置，可以看出晶格点阵已经发生了严重的晶格畸变[69]。这种晶格的畸变会使材料的一些性能显著提高，例如晶格畸变会导致高的固溶强化效应，使得位错运动困难，提高材料的硬度和强度[70]。图1.3Cr、Mn、Fe、Co、Ni在不同合金中的扩散系数与温度的关系[68]Fig.1.3RelationbetweendiffusioncoefficientsofCr,Mn,Fe,CoandNiindifferentalloysandtemperature[68]图1.4（a）纯金属铬的晶格点阵；（b）严重晶格畸变的铬晶体结构[69]Fig.1.4(a)Crcrystalstructure;(b)Severelatticedistortionofchromiumcrystalstructure[69]4）鸡尾酒效应
【参考文献】：
期刊论文
[1]Si/Ti掺杂对AlCrCoFeNiMoTixSiy高熵合金力学性能影响的第一性原理计算[J]. 梁红玉,白瑞,贺秀丽,李烨,张勇. 材料导报. 2018(02)
[2]高熵合金制备及研究进展[J]. 陈永星,朱胜,王晓明,杜文博,张垚. 材料工程. 2017(11)
[3]铝材表面激光熔覆Ni1.5Co1.5FeCrTix高熵合金层的组织与性能[J]. 石海,郑必举. 材料保护. 2017(08)
[4]钛合金表面激光熔覆AlBxCoCrNiTi高熵合金涂层的组织与性能[J]. 李涵,马玲玲,位超群,孙琳,张维平. 表面技术. 2017(06)
[5]热处理条件下激光原位合成高铌Ti-Al金属间化合物复合涂层的微结构特征[J]. 刘洪喜,李正学,张晓伟,郭新政,王悦怡. 光学精密工程. 2017(06)
[6]高熵合金薄膜涂层研究进展[J]. 赵腾雄,康蓉,李培友. 铸造技术. 2017(04)
[7]钛合金表面耐磨性能及抗氧化性能的研究现状[J]. 韩杰阁,陈蔚泽,张浩,黄安国. 电焊机. 2017(03)
[8]CrxCuFe2Mo0.5Nb0.5Ni2高熵合金的耐蚀性能[J]. 邵凤翔,赵瑞锋,王新莉,任波,关绍康,张健,杨毅博. 特种铸造及有色合金. 2016(10)
[9]钛合金表面激光熔覆Nb-Al-Ti高温合金涂层组织与性能[J]. 单晓浩,王存山,于群. 中国激光. 2016(08)
[10]铝合金表面改性技术的研究[J]. 刘小斐. 山东工业技术. 2016(09)
硕士论文
[1]钛合金表面激光熔覆高熵合金涂层研究[D]. 李涵.大连理工大学 2017
[2]激光熔覆难熔多组元高熵合金涂层设计与制备[D]. 穆永坤.昆明理工大学 2017
[3]合金元素对高熵合金组织与性能的影响[D]. 雷文斌.东北大学 2014
[4]TB2合金表面抗高温氧化TiAl涂层的制备[D]. 赵龙.哈尔滨工业大学 2013
[5]TiZrHfNbMo系高熵合金显微组织和性能的研究[D]. 刘烨.哈尔滨工业大学 2010
[6]铁基合金激光熔覆层质量与性能改善的研究[D]. 余菊美.郑州大学 2004
本文编号：3228147
【文章来源】：昆明理工大学云南省
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
激光熔覆原理图
第一章绪论91.4.1高熵合金的特点根据目前的研究，总结出高熵合金的四大特点为：（1）高熵效应，（2）迟滞扩散效应，（3）晶格畸变效应，（4）鸡尾酒效应。这四个特点的讨论如下。1）高熵效应一般传统金属合金的混合熵在1R附近，高熵合金的混合熵一般大于1.61R，其混合熵要明显高于传统合金。这种高熵效应使得系统倾向形成稳定的高熵相，例如固溶体相，根据吉布斯相形成规律，在平衡条件下，合金的相数为：=+1(1-4)式中，为相的数量，为组元数目，为系统热力学自由度。在压力一定的前提下，当系统的组元数目为6时，平衡状态下的相数为7，然而高熵合金形成的相数目远远小于吉布斯相率所计算的最大数目。如图所示1.2所示，当主元数为6时，形成的相结构一般为2种，当主元数为8时，形成的相结构一般为3种[66]。这是由于形成固溶体的混合熵大于形成金属间化合物的熵值，这种高熵效应促进形成结构简单的固溶体，避免了金属间化合物的生成。图1.2不同主元数的合金所形成的相数目汇总[66]Fig.1.2SummrayofthenumberofphasesformedbyalloyswithdifferentpivotNumbers[66]2）迟滞扩散效应合金在凝固过程中，组元扩散的速度不同，合金凝固后组织和相结构也会发生改变。合金在熔融状态下，合金中原子排列处于混乱状态，在凝固时各元素需要协同配合扩散才能完成分相。高熵合金中元素的种类多，各元素的原子尺寸和化学活度不同，任何元素的扩散都将受到其他元素相互牵制[67]。已有研究证明相对于纯金属或者不锈钢中元素的扩散系数，高熵合金的元素扩散系数最小[68]，如
昆明理工大学硕士学位论文10图1.3所示，高熵合金中每种元素的扩散速率明显小于其他合金的扩散速率。3）晶格畸变效应与单一组元的晶格点阵不同，高熵合金中元素种类较多，并且以等摩尔存在，各元素占据晶格结点具有随机性，由于每种元素的原子半径大小不同，所以会造成严重的晶格畸变。如果原子尺寸相差足够大，畸变的晶格将会坍塌而形成非晶相。如图1.4（a）所示，纯金属铬的晶格点阵由铬元素占据，图1.4（b）采用钛、铝、镍、铁等元素随机替换铬元素晶格点阵的位置，可以看出晶格点阵已经发生了严重的晶格畸变[69]。这种晶格的畸变会使材料的一些性能显著提高，例如晶格畸变会导致高的固溶强化效应，使得位错运动困难，提高材料的硬度和强度[70]。图1.3Cr、Mn、Fe、Co、Ni在不同合金中的扩散系数与温度的关系[68]Fig.1.3RelationbetweendiffusioncoefficientsofCr,Mn,Fe,CoandNiindifferentalloysandtemperature[68]图1.4（a）纯金属铬的晶格点阵；（b）严重晶格畸变的铬晶体结构[69]Fig.1.4(a)Crcrystalstructure;(b)Severelatticedistortionofchromiumcrystalstructure[69]4）鸡尾酒效应
【参考文献】：
期刊论文
[1]Si/Ti掺杂对AlCrCoFeNiMoTixSiy高熵合金力学性能影响的第一性原理计算[J]. 梁红玉,白瑞,贺秀丽,李烨,张勇. 材料导报. 2018(02)
[2]高熵合金制备及研究进展[J]. 陈永星,朱胜,王晓明,杜文博,张垚. 材料工程. 2017(11)
[3]铝材表面激光熔覆Ni1.5Co1.5FeCrTix高熵合金层的组织与性能[J]. 石海,郑必举. 材料保护. 2017(08)
[4]钛合金表面激光熔覆AlBxCoCrNiTi高熵合金涂层的组织与性能[J]. 李涵,马玲玲,位超群,孙琳,张维平. 表面技术. 2017(06)
[5]热处理条件下激光原位合成高铌Ti-Al金属间化合物复合涂层的微结构特征[J]. 刘洪喜,李正学,张晓伟,郭新政,王悦怡. 光学精密工程. 2017(06)
[6]高熵合金薄膜涂层研究进展[J]. 赵腾雄,康蓉,李培友. 铸造技术. 2017(04)
[7]钛合金表面耐磨性能及抗氧化性能的研究现状[J]. 韩杰阁,陈蔚泽,张浩,黄安国. 电焊机. 2017(03)
[8]CrxCuFe2Mo0.5Nb0.5Ni2高熵合金的耐蚀性能[J]. 邵凤翔,赵瑞锋,王新莉,任波,关绍康,张健,杨毅博. 特种铸造及有色合金. 2016(10)
[9]钛合金表面激光熔覆Nb-Al-Ti高温合金涂层组织与性能[J]. 单晓浩,王存山,于群. 中国激光. 2016(08)
[10]铝合金表面改性技术的研究[J]. 刘小斐. 山东工业技术. 2016(09)
硕士论文
[1]钛合金表面激光熔覆高熵合金涂层研究[D]. 李涵.大连理工大学 2017
[2]激光熔覆难熔多组元高熵合金涂层设计与制备[D]. 穆永坤.昆明理工大学 2017
[3]合金元素对高熵合金组织与性能的影响[D]. 雷文斌.东北大学 2014
[4]TB2合金表面抗高温氧化TiAl涂层的制备[D]. 赵龙.哈尔滨工业大学 2013
[5]TiZrHfNbMo系高熵合金显微组织和性能的研究[D]. 刘烨.哈尔滨工业大学 2010
[6]铁基合金激光熔覆层质量与性能改善的研究[D]. 余菊美.郑州大学 2004
本文编号：3228147
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