激光熔覆alcrcofeni高熵合金涂层力学性能及组织研究毕业论文(编辑修改稿)

激光熔覆alcrcofeni高熵合金涂层力学性能及组织研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

于 1． 61R。 以 线，可以把全部合金分为三大类，即低熵合金、中熵合金 与高熵合金，以 1个元素为主的合金为低熵合金， 2～ 4个元素为主的合金为中熵合金， 5个主元以上 (包含 5个 )的合金为高熵合金，见图 22。 ]lnln[!! !ln BBBBBAm NN NN NNNNNNNkNN NkS )1l n ()1(ln BBBBm cccN k cS 太原工业学院毕业设计（论文） 第 6 页 共 31 页 图 21 合金的混合熵随合金主元个数的变化而变化趋势图 图 22 以熵划分的合金示意图 太原工业学院毕业设计（论文） 第 7 页 共 31 页 高熵合金的制备方法 电弧熔炼法 真 空电弧如图 23 所示，由炉体、电源、真空系统、电控系统、光学系统和水冷系统 组成。 炉体部分由炉壳、电极、结晶器及电极升降装置构成。 工作时，在电极 (负极 )和水冷铜结晶器 (正极 )形成的两极之间，建立低电压 (20～ 40V)大电流 (若干 kA)，产生电弧放电，靠电弧释放出的热量来熔化金属。 电炉一般是直流供电，一根电极。 按照熔炼过程中电极是否消耗 (熔化 )，分成非自耗电极电弧炉熔炼和自耗电极电弧炉熔炼两种。 非自耗电弧炉，电极用钨等高熔点材料制成，电弧熔炼时电极本身并不熔化，是永久性的。 自耗电极电弧炉的电极采用被熔炼材料制成，如熔炼钛时电极通常用海绵钛压制而成，在熔炼过程中电极本身被熔化。 电极升降 装置随着电极的不断消耗使电极稳定下降，以保持两极的距离和电弧的稳定。 真空自耗电弧炉熔炼一般是在～ 179。 101Pa 的炉内压力下进行。 电弧温度可高达 5000K。 电极熔化的液滴通过弧区时，便会产生强烈的挥发、分解、化合等脱气、去除杂质的净化作用，然后滴入水冷铜结晶器中凝固成铸锭。 真空电弧熔炼不使用耐火材料，熔炼高熔点难熔金属钨、钼、钽、铌和活性很高的钛和锆时可不受耐火材料的污染。 炉料边熔化边凝固可消除缩孔、中心疏松和偏析等常见铸锭缺陷，使加工性能优良。 图 23 真空电弧炉 太原工业学院毕业设计（论文） 第 8 页 共 31 页 熔炼中要加入适量的净化剂，用于净化除去金属液中氧化渣并对金属液起保护作用，防止金属在熔炼过程中过多的氧化。 在浇注前应将金属液静止一段时间，以利杂质的浮起和金属液成分的均匀，最后将净化剂捞出，以防止在金属液浇注过程中氧化渣难以浮起，凝固于合金中，影响金属合金的性能。 为了减少熔炼工程的金属元素的氧化量，各种成分元素的添加应具有一定的顺序，例如容易烧损金属铝，应待其他金属熔化后再加入到熔炼坩埚中。 此外高熵合金还可以用机械合金化法和真空熔体快淬法，激光熔覆等。 机械合金化 (MA)是一种非平衡态粉末固态合金化方法，其特点突出表现在材料制备过程中的非平衡性和强制性。 高熵合金薄带的制备方法主要是真空熔体快淬法 ,其基本的工作原理是：将预先熔炼得到的铸锭装入石英管进行二次熔化，这个过程在封闭的保护气氛或真空下进行，然后将融化的过热液态合金喷射到按照设定转速旋转的水冷铜模上，合金被快速冷却而形成薄带。 这种方法具有极高的冷速，可以使多种金属及合金形成非晶态结构，所制备的非晶薄带具有特殊的力学及物理性能。 高熵合金的特点及性能 鉴于高熵合金拥有特殊的理论依据和设计理念，因此高熵合金与传统合金相比也拥有与众不同的特点，下面进行总结： (1)高熵合金倾向于形成简单相结构的 BCC或 FCC固溶体。 根据吉布斯自由能公式所示： m ixm ixm ix STHG  式中 T为热力学温度， Hmix为混合焓， Smix为混合熵， Gmix为吉布斯自由能。 由公式很容易看出混合焓和混合熵之间的关系是相互对立、相互制约的，合金自由能便是它们结合的产物。 简单 BCC和 FCC结构固溶体的形成需要较低的自由能，而高熵合金的混合太原工业学院毕业设计（论文） 第 9 页 共 31 页 熵很高，这就使得合金的自 由能极低，合金最终倾向于形成简单固溶体相。 (2)高熵合金仅在铸态或是完全回火态下就会析出纳米晶颗粒。 这是因为 高熵合金在熔炼时，各元素熔化后的原子混乱排列，凝固时这些原子很难进行扩散和再分配，这就有利于在合金基体内部形成纳米晶颗粒。 (3)高熵合金拥有极大的混乱度，特别是在高温下，其混乱度将会变得更大。 根据合金自由能越低，则合金系统越趋于稳定的原则，高熵合金在高温下的稳定性依然极高，固溶强化依然存在，因此合金拥有极高的高温强度。 研究表明，高熵合金在 1000℃的高温下进行长时间 (约 12 小时 )的热处理 后，硬度不降反升，与传统合金形成了鲜明的对比，如下表 21所示。 Alloys Hardness(HV) ascast Hardness(HV) annealed CuTiVFeNiZr 590 600 AlTiVFeNiZr 800 790 MoTiVFeNiZrCo 740 760 CuTiVFeNiZrCo 630 620 AlTiVFeNiZrCo 790 800 MoTiVFeNiZrCo 790 790 CuTiVFeNiZrCoCr 680 680 AlTiVFeNiZrCoCr 780 890 MoTiVFeNiZrCoCr 850 850 316 Stainless Steel 189 155 171P Hstainless Steel 410 362 Hasetlloy C 236 280 Stellite 6 413 494 Ti6Al4V 412 341 表 21高熵合金与传统合金回火比较 (4)高熵合金以简单 BCC和 FCC结构固溶体存在时，由于组成元素之间在原子半径、晶体结构等方面存在差异，高熵合金 的固溶强化会产生强效，导致位错在合金内部难太原工业学院毕业设计（论文） 第 10 页 共 31 页 以进行，因此合金硬度和强度都较高：而当高熵合金以非晶结构存在时，更是不存在位错，因此合金性能更强。 (5)高熵合金的主要组成元素至少 5种以上，合金的晶格扭曲情况十分严重，因此合金的物理、化学性能以及机械性能也将会产生极大的变化。 (6)高熵合金中总有一些元素，如 Al元素，会使合金产生致密氧化物，而高熵合金通常都具有纳米晶、非晶、单相、低自由焓的特性，因此高熵合金的耐腐蚀性能比传统合金更为优秀。 多主元效应 高熵合金之所以微观结构上具有简单结构的 固溶体，不倾向于出现金属间化合物，倾向于纳米化，甚至非晶；性能上，具有高的强度、硬度与加工硬化性，耐高温氧化与软化，具有良好的耐磨与耐蚀性，电阻率高等优于传统合金的特征，是因为这些结构与性能特性都源于高熵合金具有多主元效应，具体表现如下几个方面。 高熵效应 对高熵合金的研究表明，当合金由多种主要元素组成时，将产生高熵效应，形成具有体心立方或面心立方等简单晶体结构的固溶体相。 这种现象可以根据 Gibbs自由能方程解释： Δ Gmix =Δ HmixTΔ Smix 当混合焓改变不大时，混和熵越高， Gibbs自由能越负，体系的相越稳定，由此表明，具有高熵状态的固溶体形态可能是高熵合金的稳定态。 混合熵与混合焓处于相互竞争的地位，在高温阶段混合熵起主导作用。 因此，随机互溶状态下高熵合金较大的混合熵就会相当程度地扩展端际固溶体或金属间化合物的溶解范围，从而形成简单的多组元互溶相，这种情况在高温阶段尤为明显。 高的混合熵增进了元素间的兼容性，避免发生相分离而导致端 际固溶体或金属间化合 物的生成。 晶格畸变效应 太原工业学院毕业设计（论文） 第 11 页 共 31 页 高熵合金包含五种以上主要元素，因为各种元素的原子尺寸大小都不一样，如图24，包含多种元素的晶格严重畸变，产生强大的晶格畸变能，如果晶格畸变能太高，将无法保持晶体的构型，畸变的晶格将会坍塌而形成非晶相。 晶格畸变大大影响合金的物理化学性能，如导致固溶强化，影响合金的导电性、磁性、导热性等。 图 24 六主元合金的原子排列 高熵合金的铸态微 观组织倾向于纳米化与非晶，主要原因与动力学有关。 因为相变取决于合金中不同元素原子的协同扩散与不同相的平衡分离。 在高熵合金的铸造过程中，液 固相变时，多个元素间的协同扩散更为困难，而且严重的晶格畸变将减缓元素的扩散速率，故高温时相的分离很缓慢，甚至被抑制而延迟到低温，这是铸念的高熵合金出现纳米析出物的根源。 如果铸造时冷却速率很大，原子这种缓慢的扩散将抑制晶核的形成，合金将形成非晶质。 鸡尾酒的英文名称是 Cocktail，是一种以蒸馏酒为酒基，再配以果汁、汽水、矿泉水、利口酒 等辅助酒水，水果、奶油、冰淋、果冻、布丁及其他装饰材料调制而成的色、香、味、形俱佳的艺术酒品。 它兼具了酒与果汁的长处，而淘汰了自身的缺点。 勾兑出效应，融合成优势 —— 这被人们称之为“鸡尾酒效应”。 对于高熵合金出现的各种优良的结构与性能， “ Multimetallic Cocktails” ，也就是说这种新型的合金也有“鸡尾酒效应”，因为合金包含有多种元素，各种元素之间相互作用，兼具了各种元素的基本特性，又淘汰了各自的缺点，呈现出一种复合效应。 太原工业学院毕业设计（论文） 第 12 页 共 31 页 可以通过添加或改变某些元素的含量，改 善合金的微结构，加强其在合金中的特性，在不损害合金的性能的基础上提升合金的某些性能。 例如添加 B元素可以提高合金的耐磨性与高温压缩性能； Co、 Cu、 Ni元素促进 FCC结构的生成，而 Al、 Cr促进 BCC结构的生成，影响合金的强度。 高熵合金的应用领域 (1)高速切削用刀具 高熵合金具有较高的硬度和耐磨性。 多数高熵合金的铸态组织硬度为 600～ 900H V，相当于或者大于碳钢及合金碳钢的完全淬火硬化后的硬度；改变合金元素的含量，还可进一步提高合金的硬度。 而且高熵合金还通常表现出很高的耐热性，例如， 700～ 1000℃时效处理 72h后，合金硬度非但没有下降，反而有不同程度的提升。 普通高速钢，如 W18Cr4V和 W6Mo5Cr4V2的有效切削加工温度在 600℃以内，温度再高，刀具会明显钝化。 此外，高速钢刃具在获得高硬度、高耐磨性的同时，牺牲了钢材的塑性及韧性，使刀具常常出现折断、崩刃等失效形式。 而高熵合金在获得高硬度的同时，具有较好的塑性、韧性。 例如， 经 50％压下率冷压 (即冷压合金时的塑性变形量达到 50％ )后，非但没有出现任何 裂纹，反而在枝晶内部出现了纳米结构，大小约数纳米到数十纳米，合金硬度得到进一步提升； 32％以内的压下率内冷压，也表现出非常好的延展性。 这么大比例的压下率，对于高速钢来说是不可想象的。 故而高熵合金应用于高速切削刀具的制造具有明显的优势。 此外，磁控溅射法制备高熵合金镀膜的成功，可以在普通钢制刀具表面镀上一层高熵合金薄膜，镀膜厚度在 2． 5um以内。 这样一来，既可以获得良好的切削加工性能，又能节约成本。 (2)各类工具钢和模具钢 高熵合金具有高硬度、高耐磨性、高强度及优良的耐高温性能 、耐蚀性，使之非常适合制备各类工、模具，尤其是挤压模和塑料模。 例如 高达 ，含有 Cr或 Al的高熵合金具有高达 1100℃的优异抗氧化性能。 普通模具钢则无法兼顾耐磨性、耐蚀性、耐高温性及良好的塑性。 (3)超高大楼的耐火骨架 美国“ 9178。 11”事件中，双塔的整体坍塌很大程度上是因为大楼骨架钢筋受热后强太原工业学院毕业设计（论文） 第 13 页 共 31 页 度急剧下降，从而无法负荷大楼重量所致。 随着土地资源的紧缺，国内外修建超高大楼的案例将越来越多，因而超高大楼的耐火安全性正引起人们越来越多的重视。 高熵合金具有极高的抗压 强度和优良的耐高温性能，用做超高大楼的耐火骨架，可以使大楼在发生意外火灾而导致楼体温度较高时保持原有的承重能力，保证大楼的安全，减少人员和财产的损失。 (4)涡轮叶片 高熵合金良好的塑性使其易于制成涡轮叶片，而其优良的耐蚀性、耐磨性、高加工硬化率及耐高温性能，可保证涡轮叶片长期、稳定地工作，提高服役安全性，减少叶片的磨损、腐蚀失效。 (5)电子器件、通讯领域 高熵合金具有软磁性及高电阻率，因而在高频通讯器件中有很大的应用潜力。 可用以制作高频变压器、马达的磁芯、磁屏蔽、磁头、磁碟、磁光盘、高频软磁薄膜 以及喇叭等。 (6)化学工程、船舶的耐蚀。