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。

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%。

激光重熔对等离子喷涂AlCoCrFeNi高熵合金涂层组织和耐腐蚀性能的影响

现有关于高熵合金涂层重熔处理的研究大多集中在涂层的组织结构、力学性能和耐磨损性能等方面,对其耐腐蚀性能的研究较少。为了揭示激光重熔对高熵合金涂层耐腐蚀性能的影响,采用等离子喷涂技术在AISI 1045钢表面制备AlCoCrFeNi高熵合金涂层,并采用激光重熔工艺对其进行重熔处理,对重熔前后涂层的组织结构和耐腐蚀性能进行对比研究。结果表明:激光重熔基本消除了喷涂层中的孔隙和裂纹等缺陷,涂层与基体之间由机械结合转变为冶金结合;重熔层由BCC固溶体相和少量FCC析出相组成,组织形态呈树枝晶状。极化曲线和电化学阻抗谱分析表明,激光重熔可以改善AlCoCrFeNi高熵合金涂层在3.5%NaCl溶液中的耐腐蚀性能。激光重熔后,涂层的自腐蚀电位从-0.421 6 V增加到-0.282 1 V,腐蚀电流密度从4.809×10^(-7)A/cm^(2)降低到1.475×10^(-7)A/cm^(2)。长期浸泡腐蚀试验也表明重熔层的耐腐蚀性能要显著优于喷涂层。通过等离子喷涂结合激光重熔技术得到缺陷较少、耐腐蚀性较好的高熵合金涂层,对于高熵合金的广泛应用具有重要的参考价值。

Ti含量对氩弧熔覆CoCrFeNiCuTi_(x)高熵合金涂层组织及性能的影响

采用氩弧熔覆技术在Q235钢基体表面制备了CoCrFeNiCuTi_(x)(x表示摩尔比值,x=0、0.3、0.5、0.8和1)高熵合金涂层,研究了Ti含量对CoCrFeNiCuTi_(x)高熵合金微观结构和力学性能的影响。结果表明,不同Ti含量的CoCrFeNiCuTi_(x)高熵合金均为FCC单相固溶体。CoCrFeNiCu合金的微观组织为柱状晶结构。随着Ti的加入,微观组织中开始出现析出相,且Ti含量越高,析出相越多。同时Ti的加入明显提高了合金的显微硬度,当Ti的摩尔比为1时,涂层的截面显微硬度值达到最高值439.54 HV0.1。Ti对CoCrFeNiCuTi_(x)高熵合金的耐磨性具有显著影响,CoCrFeNiCuTi合金表现出最好的耐磨性。随着Ti含量的升高,合金的磨损机理由黏着磨损转化成黏着磨损与氧化磨损并存。

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。

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。

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。

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。

井下工具用钢表面等离子熔覆AlCoCrFeNi_(2.1)YHf高熵合金涂层与熔覆电流相关性研究

利用等离子熔覆技术,采用130 A、140 A、150 A三种电流在井下工具用钢35CrMo钢表面制备了AlCoCrFeNi_(2.1)YHf高熵合金涂层。采用扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)、X射线衍射仪、显微硬度仪、电化学工作站分析了熔覆电流对涂层的显微组织、相结构、显微硬度和耐蚀性性能的影响。研究结果表明:各涂层均由树枝晶和少量等轴晶构成,晶粒内为FCC相、晶粒之间是B2相。随着电流的增加,涂层组织粗化,硬度逐渐降低;涂层耐腐蚀性能随着电流的增加呈先增高后降低的非线性关系,140 A的涂层具有最佳的耐腐蚀性。

等离子熔覆FeCoCrNiAl_(0.5)Ti_(0.5)高熵合金涂层的组织及耐磨性能

采用机械合金化法制备FeCoCrNiAl_(0.5)Ti_(0.5)高熵合金粉末,再经等离子熔覆制备高熵合金涂层,研究了机械合金化后高熵合金粉末的微观结构,分析了高熵合金涂层的显微组织、硬度和耐磨性能。结果表明:机械合金化后形成了具有体心立方和面心立方结构双相固溶体的FeCoCrNiAl_(0.5)Ti_(0.5)高熵合金粉末,粒径在2~4μm。熔覆制备的高熵合金涂层仍保持双相固溶体结构,无明显孔隙、裂纹等缺陷,由熔覆界面处至涂层表面依次形成了胞状晶→树枝晶→等轴晶的典型熔覆组织;高熵合金涂层的平均显微硬度达616.6 HV,为NM400钢的1.46倍,同等磨损条件下的磨损质量损失为NM400钢的48%,磨损机制以磨粒磨损为主,表现出较优的耐磨性能。

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。

难熔高熵合金涂层制备及其应用进展

概述了难熔金属和高熵合金领域的研究现状,介绍了难熔高熵合金涂层研发制备及其应用进展,总结了难熔高熵合金涂层面临的关键科学难题和工程应用挑战,并对后续发展方向进行了展望。

激光熔覆CoCrCu_(0.4)FeNi高熵合金涂层的微观组织和相稳定性分析

为提高零部件的硬度和耐磨性,采用Co、Cr、Cu和Ni单质金属粉末在Q235钢基体上激光熔覆CoCrCu_(0.4)FeNi高熵合金涂层,利用扫描电镜、能谱仪和X射线衍射仪分析了涂层的微观组织,测试了涂层的显微硬度,并利用第一性原理计算了涂层中各相的晶格常数和弹性常数。结果表明,涂层与基体形成了良好的冶金结合,且无宏观裂纹和气孔等缺陷;涂层微观组织主要由树枝晶和枝晶间组成,其中树枝晶为一种面心立方相(FCC1),富Cu贫Cr,枝晶间为另一种面心立方相(FCC2),富Cr贫Cu。涂层厚度约为1.50~1.98 mm,涂层枝晶大小约为7.9~10.4μm。涂层的显微硬度约为HV0.2170~230,约为基体1.7倍,随着与涂层表面距离的增加,涂层的硬度逐渐降低。另外,激光功率越低,扫描速度越大,树枝晶越细小,细晶强化的作用越强,涂层的硬度越高。涂层中面心立方(FCC)相的晶格常数计算值与实验值误差为1.33%~2.60%,FCC相的生成热均为负值,且弹性常数C_(11)、C_(12)和C_(44)满足立方结构高熵合金的力学稳定性限制条件,可知FCC相是稳定的。由剪切模量与体积模量之比(G/B)<0.57、泊松比(ν)>0.26可知,树枝晶和枝晶间处的FCC相总体呈现韧性特征。从涂层下部到上部,计算的弹性模量逐渐增加,硬度增大,与实验硬度变化规律相符合。

激光熔覆NbMoTaWV难熔高熵合金涂层的高温氧化行为

难熔高熵合金涂层是近年来高熵合金领域的研究热点,有望成为未来重要的高温结构和功能材料。本工作采用激光熔覆技术制备了NbMoTaWV难熔高熵合金涂层,研究了其在800℃下的高温氧化行为,重点分析了不同氧化时间(10、20、30、50、100 h)的NbMoTaWV难熔高熵合金涂层组织结构演变、显微硬度变化及界面元素扩散行为。实验结果表明:NbMoTaWV难熔高熵合金涂层主要由Fe_(7)Ta_(3)型HCP固溶体相、(Fe, Ni)基体相及未熔高熵合金粉末相组成,而经不同时间氧化处理后,涂层表面生成了以Fe_(2)O_(3)和Fe_(3)O_(4)为主的氧化物相。800℃高温氧化处理后,NbMoTaWV高熵合金涂层内部组织结构变化不大,仅部分氧元素扩散进入到涂层内部。高温氧化导致NbMoTaWV难熔高熵合金涂层的显微硬度有所提升,但随着氧化时间的延长,NbMoTaWV难熔高熵合金涂层的显微硬度呈现出先增加后降低的趋势,且当氧化时间为20 h时,其显微硬度达到最大,这与高温扩散所导致的固溶强化有关。同时,TG-DSC证实了NbMoTaWV难熔高熵合金涂层在800℃具有优异的高温稳定性。

激光熔覆不同层数FeCoNiCr_(0.5)Al_(0.2)高熵合金涂层的组织与性能

目的研究不同层数高熵合金涂层的耐磨性和耐腐蚀性。方法采用激光熔覆技术在Q345钢表面制备FeCoNiCr_(0.5)Al_(0.2)高熵合金涂层。采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、摩擦磨损试验机等研究高熵合金涂层的组织结构,并表征其性能。结果高熵合金涂层与基体Q345钢实现了良好的冶金结合。当涂层大于3层时,稀释率达到理想区间,涂层表面主要由细小的等轴晶和柱状组织组成。随着涂层层数的增加,相结构逐渐转变为FCC相,涂层表面Fe的原子数分数从66.72%降至30.46%,稀释率由37.7%降至9.8%。1层涂层的硬度最高,达到422HV0.5,约为基体的3.5倍;当涂层层数大于3时,表面的平均硬度为190HV0.5左右,是基体的1.5倍左右。在空气中,涂层相较于基体,在10、20 N载荷下磨损率分别下降了23.3%~37.1%、8.4%~21.0%。在质量分数3.5%的NaCl溶液中,涂层相较于基体,在10、20 N载荷下磨损率分别下降了38.4%~45.5%、43.9%~47.7%。在10、20 N载荷下,涂层在空气中的磨损率分别是在质量分数3.5%的NaCl溶液中的6倍、4.5倍左右。与基体相比,1、3、5层涂层的腐蚀电位分别提升了11.9%、57.6%、50.2%,腐蚀电流密度下降了1~2个数量级。结论随着高熵合金涂层层数的增加,稀释率降低,硬度提高,耐磨性和耐腐蚀性大幅提升,根据不同的性能需求可以灵活选择制备不同层数的涂层。

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。

激光熔覆AlCoCrFeMo_(x)Ni高熵合金涂层的组织与性能研究

采用激光熔覆方法在Q235B热轧钢板表面制备AlCoCrFeMo_(x)Ni高熵合金涂层,并对涂层进行相结构、微观组织、显微硬度以及电化学性能检测,探索添加Mo元素对涂层组织、硬度和耐蚀性的影响。研究发现,随着Mo摩尔分数增加,涂层中出现BCC2相,涂层硬度增加,耐蚀性先增强后减弱。AlCoCrFeMo0.8Ni涂层平均硬度为462 HV,腐蚀电位为-0.676 V,腐蚀电流为0.612 mA/cm^(2),综合性能良好。