不同溅射功率下CoCrFeNiCu高熵合金涂层的耐腐蚀及其抗氧化性能

为探究磁控溅射工艺参数对CoCrFeNiCu涂层的耐腐蚀及高温抗氧化性能的影响,在50、100、150、200 W等不同溅射功率下采用直流磁控溅射技术制备CoCrFeNiCu高熵合金涂层。通过X射线衍射仪、扫描电镜和能谱分析以及电化学实验等检测涂层的相组成、显微组织以及耐腐蚀性能。通过循环氧化法测定涂层的高温氧化行为,分析其氧化动力学曲线和氧化层表面形貌,确定溅射功率对该涂层高温抗氧化性能的影响规律。结果表明:溅射功率50 W制备的涂层为准非晶结构,耐腐蚀性较好,但随着溅射功率的升高,粗化的涂层晶粒使其耐蚀性能逐渐降低。经过800℃的空气氧化后,低功率制备的涂层的氧化动力学曲线随时间的变化基本呈线性增加,涂层氧化层存在大量气孔,削弱了其抗氧化性能。而较高功率制备的涂层的氧化动力学曲线呈抛物线变化,所形成的氧化层相对致密,可有效保护涂层。适当提高溅射功率可形成厚度较大、硬度较高的FCC结构涂层,可提高CoCrFeNiCu涂层的高温抗氧化性能。

Ni,Co元素对FeCrAlCu系高熵合金涂层组织和耐磨性能的影响

为了解决金属零件表面的防护问题,采用冷喷涂辅助感应重熔合成高熵合金涂层的方法,在45#钢基体表面制备FeCrAlCu,FeCrAlCuNi,FeCrAlCuCo,FeCrAlCuNiCo高熵合金涂层,通过XRD,SEM,EDS,TEM,磨擦磨损试验机等,研究Ni,Co元素添加对FeCrAlCu系高熵合金涂层的相结构、显微组织以及耐磨性能的影响。结果表明:FeCrAlCu系高熵合金涂层均为FCC+BCC相构成,其中Ni元素添加可以促进FCC相形成,Co元素添加促进B2相(AlCo)生成。FeCrAlCu系高熵合金涂层组织均为树枝晶,随着Ni,Co元素的同时添加,涂层中的枝晶数目增加,并明显粗化。Ni,Co元素同时添加时,FeCrAlCuNiCo高熵合金涂层的摩擦性能最佳,涂层的硬度为565.5HV,摩擦因数为0.349,磨损率为3.97×10^(-5)mm^(3)·N^(-1)·m^(-1)。

AlCrNiFeTi高熵合金涂层的电火花沉积制备与摩擦磨损性能

采用真空电弧熔炼法制备直径为7 mm AlCrNiFeTi高熵合金(high-entropy alloy,HEA)作为电极,使用电火花沉积技术在304不锈钢表面成功制备了AlCrNiFeTi高熵合金涂层。通过XRD、OM、EDS、SEM、显微硬度计、摩擦磨损试验机对涂层的微观组织结构和摩擦磨损性能进行研究。结果表明,AlCrNiFeTi电极与涂层均以BCC1和BCC2简单固溶体为主,电极微观组织结构呈典型的树枝晶。涂层由沉积点堆叠铺展形成,表面均匀致密呈橘皮状、凸凹不平,为喷溅花样展开,涂层截面结构无宏观缺陷,厚度约为59.67μm。AlCrNiFeTi涂层最大显微硬度为587.3HV0.2,比基材的硬度提高了约2.45倍。随着载荷的增大,涂层的磨损机制由氧化磨损和轻微磨粒磨损转变为磨粒磨损和黏着磨损。当摩擦载荷为5 N时,磨损率为1.213×10^(-3)mm^(3)/(N·m),摩擦因数仅为0.446,涂层的磨损率较基材的磨损率减小了约28.3%。

激光熔覆功率对FeCrNiCoMoBSi高熵合金涂层电化学腐蚀性能的影响

探讨了FeCrNiCoMoBSi高熵合金(HEA)激光熔覆涂层的微观结构以及激光功率对涂层物相和电化学腐蚀性能的影响。研究结果显示,HEA涂层由底部的柱状晶带、顶部的等轴晶带以及中间混晶带(由柱状晶和等轴晶混合组成)构成。采用3 000W功率制备的HEA涂层表现出最低的自腐蚀电流密度(0.425μA/cm^(2))、最高的自腐蚀电位(-0.16852V)以及最大的极化阻抗(69 616Ω),其阻抗模值■为1 143Ω·cm^(2),分别是1 800,2 500和4 500 W功率激光熔覆涂层的8.65倍、4.91倍和7.14倍,且其最大相位角为76.23°,均高于其它三种涂层。综合评估显示,采用3 000 W功率制备的HEA涂层具有出色的电化学腐蚀性能。这是由于其单一的FCC晶体结构、抗腐蚀的铁镍合金相和单质铬相、良好的晶体结晶度、细化的晶粒尺寸以及卓越的钝化效应,使其电化学腐蚀性能显著优于其他功率制备的涂层。

碳化钨添加对高熵合金涂层组织和硬度的影响

为了进一步提高高熵合金涂层的硬度,本文使用激光熔覆设备制备了WC+Al_(2)NiTiCoCrCu_(0.5)FeMo高熵合金涂层,使用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、显微硬度计分析了合金的组织结构和硬度。结果表明,WC的添加对高熵合金的相结构和组织影响不明显,涂层组织较细密,硬度获得明显的提升。当WC的添加量小于5%时,晶粒尺寸为2~3μm,而WC添加量为8%时,晶粒变得不规则,并且有增大的趋势,约在3~5μm。随着WC添加量的增加,涂层的硬度逐渐升高。在添加2%的WC时,硬度升高的速度很大,但再增加,硬度的增速比较平缓。

电爆喷涂FeCoCrNiAl_(x)高熵合金涂层的形成机制与性能

采用电爆喷涂技术在TC4钛合金表面制备FeCoCrNiAl_(x)(x=0,0.5,1.0,摩尔比,下同)涂层。使用XRD,SEM,EDS,显微硬度计以及摩擦磨损实验等材料分析手段,研究Al含量对高熵合金涂层物相结构、表面形貌、显微硬度和耐磨性能的影响。结果表明:涂层的晶粒尺寸为纳米级,均形成了简单的FCC,BCC及FCC+BCC结构固溶体。随Al元素的增加,物相结构由FCC相逐渐向BCC相转变。涂层表面平整、致密,没有明显的裂纹等缺陷,且各元素分布均匀,并没有发现元素偏聚现象。划痕测试表明,FeCoCrNiAl_(1.0)涂层出现失效的平均临界载荷为37.2 N;涂层与基体呈冶金结合。涂层的硬度和耐磨性与Al含量呈正相关关系,x=1.0时,平均显微硬度达到最大值531.8HV,约为基体的1.62倍;FeCoCrNiAl_(1.0)涂层的磨损量最小,耐磨性约为基体的3.9倍,磨损机制主要为磨粒磨损。

Mo含量对激光熔覆CoCrFeNiW_(0.6)Mo_(x)高熵合金涂层组织与性能的影响

目的研究Mo含量的变化对激光熔覆CoCrFeNiW_(0.6)高熵合金涂层的影响。方法使用RFL-C1000光纤激光器,在45钢基体表面制备CoCrFeNiW_(0.6)Mo_(x)(x=0,0.2,0.4,0.6,0.8)高熵合金涂层,并利用Leica DVM6光学显微镜、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、能谱仪、显微硬度仪、电化学工作站对熔覆层的宏观形貌与稀释率、相结构、微观组织结构、硬度、耐腐蚀性能进行测试与分析。结果加入Mo元素后,结合状态与表面形貌良好,当x=0~0.4时,涂层微观组织主要呈树枝晶形态,且晶粒逐渐变细。当x≥0.6时,涂层表面开始有裂纹产生。随着Mo元素的添加,涂层逐渐析出σ相,晶粒尺寸逐渐减小。当x=0.8时,有共晶组织形成。涂层显微硬度随Mo元素的增加而增加,但由于x=0.8时出现较多裂纹,裂纹的出现影响了涂层硬度,导致x=0.8时的硬度减小。当x=0.6时,涂层平均显微硬度最高,达到了959.69HV0.3,约为CoCrFeNiW_(0.6)涂层平均硬度的20.32%。当x=0~0.6时,涂层耐腐蚀性能随着Mo元素含量的增加逐渐提升。当x=0.8时,耐腐蚀性能变差,其原因是裂纹的出现以及σ相的形成使得涂层耐腐蚀性变差。在x=0.6时,涂层耐腐蚀性能最好。结论Mo元素的加入使得涂层微观组织出现σ相,同时有细化晶粒的作用,可以显著改善涂层的硬度以及耐腐蚀性。

FeCoNiCrCu高熵合金涂层对复合铸造Al/Mg双金属组织和性能的影响

目的研究不同厚度的FeCoNiCrCu高熵合金涂层对Al/Mg双金属组织和力学性能的影响。方法通过超音速火焰喷涂工艺在A356嵌体表面喷涂不同厚度的FeCoNiCrCu高熵合金涂层,采用消失模复合铸造工艺制备Al/Mg双金属,利用扫描电镜、EDS能谱及XRD衍射仪、维氏硬度测试仪和万能试验机对Al/Mg双金属界面微观组织和力学性能进行测试和分析。结果未喷涂高熵合金涂层的Al/Mg双金属界面由共晶层和金属间化合物层组成,断裂位置主要位于金属间化合物层,裂纹从Al_(3)Mg_(2)扩展至共晶层结束,具有典型的脆性断裂特征,剪切强度仅为30.37MPa。当高熵合金涂层厚度为5μm时,Al/Mg双金属形成了Al_(3)Mg_(2)+Mg_(2)Si/AlxFeCoNiCrCu+FeCoNiCrCu+Al-Mg-Co-Ni混合相/δ-Mg+Al_(12)Mg_(17)共晶组织的复杂界面,断裂发生在高熵合金层与δ-Mg+Al_(12)Mg_(17)共晶组织的交界处,断裂面产生了一定程度的塑性变形,剪切强度为48.46MPa,相对于无涂层的Al/Mg双金属提高了59.56%。当高熵合金涂层厚度为20μm时,铝侧生成了AlxFeCoNiCrCu高熵合金,镁侧则只生成了少量Mg-Ni-Cu混合相,断裂发生在高熵合金涂层与镁基体交界处,剪切强度为39.69 MPa。结论高熵合金涂层可以有效阻碍Al、Mg元素之间的扩散,从而显著抑制或完全阻止Al-Mg脆性金属间化合物的产生,大幅度降低界面层厚度。金属间化合物的减少和混合相对裂纹扩展的阻碍作用显著提高了Al/Mg双金属界面的剪切强度。

镍基Al_(x)CoCrFeNi高熵合金涂层升温摩擦性能的原子尺度分析

高熵合金(HEAs)具有较高的硬度、耐磨性和抗氧化性,是1种有前景的高温涂层材料.采用分子动力学仿真,分析了在300~1500 K温度条件下,Ni基板上Al_(x)CoCrFeNi(x=0,3,6,10)高熵合金涂层在划伤过程中的力学特性和摩擦磨损行为.结果表明:Al_(x)CoCrFeNi HEA涂层法向和切向摩擦力随着Al含量增加和温度的升高而逐渐减小,摩擦系数波动幅度较小,随着Al含量增加而先减小后增大,在1500 K时,Al_(10)CoCrFeNi涂层的摩擦系数最大,为0.529.损伤原子位移及剪切应变与Al含量和温度呈正相关,Al含量的增加或温度的升高降低了摩擦表面的剪切强度,使损伤原子数目增加,材料形变均匀性降低.相结构、位错缺陷等特性与Al含量及温度密切相关,随着Al含量增加和温度上升,FCC相原子含量减少,材料塑性降低,涂层中BCC相和其他相结构原子的比例增多.在高温下缺陷产生的深度更深,但位错密度降低,这表明在高温下位错的迁移难度降低,位错对材料的强化程度降低,材料亚表层的破坏程度逐渐严重.Al_(x)CoCrFeNi涂层与Ni基板界面的结合强度随着Al含量的增加而降低,随着温度的上升而逐渐增大,HEA涂层与Ni基底界面处的应力是影响界面结合强度的因素之一,x=0时涂层界面应力明显高于其他3种情况.

FeCoCrNiAl高熵合金涂层的等离子熔覆工艺研究

采用等离子熔覆技术在45号钢基体表面制备FeCoCrNiAl高熵合金涂层,研究熔覆电流和离子气流量对涂层表面形貌及孔隙率的影响。结果表明,当熔覆电流为180 A、离子气流量为2.5 L/min、熔覆速度为100 cm/min时,制备出的FeCoCrNiAl合金涂层与基体结合良好、无裂纹,孔隙率达到最低值0.0276%。该工艺制备的FeCoCrNiAl合金涂层高熵效应显著,但组织中除了具有BCC结构相以外,还存在具有FCC结构的Fe-Cr相、Ni-Co相、富Ni相、富Al相等成分。FeCoCrNiAl高熵合金涂层的显微硬度为500 HV,达到45钢基体的2倍以上。

Fe_(0.5)CrMnAlCu高熵合金及涂层的组织与性能

采用真空电弧熔炼与冷喷涂辅助感应重熔制备Fe_(0.5)CrMnAlCu高熵合金及涂层。利用XRD、SEM、显微硬度计、磨料磨损实验机对高熵合金及涂层的相结构、微观组织以及耐磨损等性能进行测试分析。结果表明:真空电弧熔炼制备的Fe_(0.5)CrMnAlCu高熵合金为FCC和BCC相固溶体结构,其组织形貌主要为枝晶和枝晶间组织,冷喷涂辅助感应重熔合成Fe_(0.5)CrMnAlCu高熵合金涂层的相结构为单一的BCC结构,其组织形貌为枝晶和枝晶间组织。由于感应重熔合成Fe_(0.5)CrMnAlCu高熵合金涂层较电弧熔炼制备的高熵合金具有更大的晶粒尺寸,同时涂层的原子尺寸差δ大于合金的原子尺寸差,导致感应重熔合成Fe_(0.5)CrMnAlCu高熵合金涂层的硬度是真空电弧熔炼高熵合金的1.37倍,其磨损率比真空电弧熔炼制备的高熵合金磨损率降低18%。真空电弧熔炼与冷喷涂辅助感应重熔制备Fe_(0.5)CrMnAlCu高熵合金及涂层的磨损机制主要是黏着磨损、磨粒磨损。

等离子物理气相沉积高熵合金涂层及组织性能

采用等离子物理气相沉积的方法在316L不锈钢表面制备了AlCoCrFeNi高熵合金涂层,研究了喷涂距离和电流对高熵合金涂层物相组成、表面形貌、截面形貌、硬度、结合强度和耐磨性的影响。结果表明,不同喷涂距离和电流下,高熵合金涂层都主要由BCC、B2和FCC相组成;随着电流或者喷涂距离增加,涂层中BCC平均晶粒尺寸先增后减。当喷涂距离为460 mm时,随着电流从1600A增加至2000A,涂层平均摩擦系数逐渐增大,表面和截面硬度先减后增,涂层结合力和结合强度先增大后减小,涂层的磨损率先增加后减小;当电流为1800A时,随着喷涂距离从420mm增加至500mm,涂层平均摩擦系数逐渐减小,表面硬度先减后增,截面硬度先增后减,涂层结合力和结合强度逐渐增大,涂层的磨损率逐渐减小。高熵合金涂层的磨损率与涂层表面硬度和内聚强度都有一定相关性。

高熵合金涂层在压力容器腐蚀与防护的应用展望

腐蚀防护是压力容器在生产使用中的重要关注点,也是材料腐蚀防护的重要研究方向。目前压力容器使用的腐蚀防护方法,在使用过程中具有局限性。高熵合金涂层具有良好的综合性能和耐腐蚀性能,在金属材料腐蚀与防护方面具有优势。文章综述了不同元素添加高熵合金涂层的腐蚀性能研究现状,基于其优异的防腐蚀性能,展望了高熵合金涂层在压力容器腐蚀防护方面发展方向。

AlCoCrCuFeNi_(x)高熵合金涂层组织与性能

Ni是FeCrNiCo系高熵合金中的重要元素,对合金的性能有关键性的影响。本文通过激光重熔辅助冷喷涂的方法,在45#钢表面制备AlCoCrCuFeNi_(x)(x=0,0.5,1,1.5,2)高熵合金涂层。结果表明:涂层组织主要由柱状晶和枝晶间组织组成。当0≤x≤0.5时,涂层组织结构的晶格应变ε会随原子尺寸差异δ的增大而增大;当0.5≤x≤2时,涂层组织结构的晶格应变ε会随原子尺寸差异δ的减小而减小。价电子浓度(C VE)随着Ni含量的增加而增加。这导致随着Ni含量的增加,涂层中BCC相含量先增多后减少,FCC相含量先减少后增多。当0≤x≤0.5时,涂层中的枝晶组织为BCC相,枝晶间组织为FCC相;当0.5≤x≤2时,涂层中的枝晶组织由BCC相向FCC相转变,枝晶间组织由FCC相向BCC相转变;当x=0.5时,涂层的性能达到最优,硬度为596.7HV,摩擦因数为0.35,磨损率为3.76×10^(−5)mm^(3)/(N∙mm)。

VC添加量对激光熔覆Fe_(50)Mn_(30)Cr_(10)Co_(10)高熵合金涂层组织和性能的影响

采用激光熔覆工艺在Q235钢板表面制备Fe_(50-x)Mn_(30)Cr_(10)Co_(10)(VC)x(x=0,1,3,原子分数/%)高熵合金涂层,研究了VC添加量对涂层微观形貌、物相组成、硬度、耐磨性能和耐腐蚀性能的影响。结果表明:3种VC添加量的高熵合金涂层与基体均结合良好,涂层中仅存在较少的孔洞等缺陷,其物相均为面心立方结构的固溶相;随着VC添加量的增加,高熵合金涂层的组织发生细化,显微硬度增大;VC的添加能同时提高Fe_(50)Mn_(30)Cr_(10)Co_(10)高熵合金涂层的耐磨性能和耐腐蚀性能,并且VC添加量越多,耐磨性能和耐腐蚀性能越好。

磁控溅射制备高熵碳化物(AlTiVCrNb)C涂层摩擦学性能

为改善高熵合金涂层的摩擦学性能,通过石墨与AlTiVCrNb高熵合金靶共溅射制备(AlTiVCrNb)C涂层,采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)分析涂层的成分、表截面形貌和物相,采用纳米压痕仪、球盘式摩擦磨损试验机测试涂层的硬度、弹性模量和摩擦学性能,采用白光干涉三维形貌仪表征涂层的磨损情况。试验结果表明:随着涂层中碳含量增加,高熵组分从BCC/FCC双相向单一FCC结构转变,且涂层的微观组织结构也随之变化;由于碳化物的形成和固溶强化,涂层呈现良好的摩擦学性能;在涂层碳原子分数为20.83%时,涂层的摩擦性能和力学性能达到最优,此时摩擦因数最低,为0.35,涂层硬度与弹性模量最高,分别为17.84、182.72 GPa。研究表明,在磁控溅射工艺中石墨与AlTiVCrNb高熵合金共溅射,可以获得摩擦学性能良好的高熵碳化物(AlTiVCrNb)C涂层。

Al含量对CoCrFeNiTi_(0.5)高熵合金涂层耐冲蚀和耐腐蚀性能的影响

利用激光熔覆技术制备了Al_(x)CoCrFeNiTi_(0.5)(x=1.0、1.5、2.0、2.5(原子比),简记为Al_(x))高熵合金涂层,研究Al含量对涂层组织结构、显微硬度、耐冲蚀和耐腐蚀性能的影响。实验结果表明,随着Al含量的增加,Al_(x)CoCrFeNiTi_(0.5)高熵合金涂层的相结构由简单的FCC+BCC无序固溶体逐渐转变为无序BCC+有序BCC的混合结构,同时涂层的硬度显著提高。AlCoCrFeNiTi_(0.5)高熵合金涂层表现出塑性材料的冲蚀磨损特征,在低冲蚀角(30°)、中冲蚀角(60°)和高冲蚀角(90°)下,其冲蚀磨损率仅分别为同条件下06Cr16Ni5Mo不锈钢的56.09%、59.33%和60%,耐冲蚀磨损性能优异。Al_(x)CoCrFeNiTi_(0.5)高熵合金涂层的耐蚀性随着Al含量的增加逐渐降低。适当添加Al不仅可以提高CoCrFeNiTi_(0.5)高熵合金涂层的耐冲蚀磨损性能,而且合金具有很好的耐腐蚀性能。

碳化钒含量对Fe_(50)Mn_(30)Cr_(10)Co_(10)高熵合金涂层蠕变性能的影响

制备各类涂层对材料表面进行强化处理是提高材料服役性能的重要途径,而通过添加不同含量硬质相有利于进一步改善涂层性能。通过选区激光熔覆工艺制备添加不同VC(碳化钒)含量的Fe_(50)Mn_(30)Cr_(10)Co_(10)高熵合金涂层材料,采用扫描电镜、X射线衍射仪、纳米压痕仪等研究VC含量对涂层显微组织、相结构、硬度和蠕变性能的影响。结果表明,随着VC含量的增加,涂层组织明显细化;因VC原子固溶在FCC(面心立方)晶格中,对涂层相结构不产生影响;因增大了固溶强化效应,故增加了涂层的硬度。特别是,随着VC含量的增加,涂层的蠕变量减小,这十分有利于改善涂层材料的蠕变性能。这为通过添加VC硬质相强化高熵合金涂层性能提供了重要的依据。

激光熔覆高熵合金涂层组织结构及强化机理研究进展

激光熔覆作为一种绿色、高效的表面处理技术,能够快速制备组织致密、晶粒细小,与基体呈高强度冶金结合的涂层,是近年来高熵合金领域的研究热点之一。概述了现有高熵合金涂层材料体系和制备方法,重点讨论了激光熔覆CoCrFeNi-M典型过渡族高熵合金涂层的组织结构,及其耐磨、耐蚀、抗高温氧化等性能,并归纳了涂层的强化机制和方法。CoCrFeNi-M系合金涂层主要呈现FCC固溶体结构,综合力学性能普遍较好,通过合金体系调控,在细晶强化、固溶强化、第二相强化等作用下,能够获得硬度、耐磨性、耐蚀性等性能的进一步提升。同时,概述了激光熔覆难熔高熵合金涂层的组织结构,耐磨、耐蚀、抗高温氧化性能及性能强化机制,该体系合金涂层主要呈现BCC固溶体结构,硬度较高但室温韧性普遍不足,具有较好的高温强度,在高温领域具有较好的应用前景,但抗高温氧化性能普遍不足,仍需通过合金体系优化进一步提升。此外,总结了基于激光熔覆技术开展的高熵合金涂层制备及研究中存在的问题和不足,并展望了未来的发展方向。

高熵合金涂层的研究进展

高熵合金涂层由于具有优于块体高熵合金和传统金属涂层的综合性能,在航空航天、核反应堆等极端服役环境下表现出了巨大的应用潜力。涂层低维形态产生的尺寸效应与高熵合金独特的多主元特征效应相耦合,使高熵合金涂层具有成分均匀、组织致密、结构稳定、性能优异等特点。概述了近年来高熵合金涂层的主要制备技术,简述了不同制备方法的原理、优势及工艺参数对涂层组织性能的影响。探讨了高熵合金中主要组元元素的作用、相结构的调控准则、多相转变行为等微观组织结构的特征与影响机制。论述了高熵合金涂层的服役性能特点,包括力学性能、抗氧化、耐腐蚀、抗辐照及耐磨损性能,并分析了成分/工艺-组织-性能的关联及相关作用机理。最后,总结了目前研究工作中存在的关键科学难题与挑战,对高熵合金涂层的研究方向与应用前景进行了展望。