【摘 要】
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结构钢在工业中应用广泛,但由于工况日益复杂,在服役环境中常常受到磨损和腐蚀,导致工件受损或失效,进而造成巨大的经济损失。本文为解决这一实际问题,采用激光熔覆技术在Q235钢表面制备了AlxCoCrFeNiCu(x=0、0.5、1、1.5、2)高熵合金涂层以及原位陶瓷颗粒(TiB2、TiC)高熵合金复合涂层。采用体式显微镜、金相显微镜以及场发射扫描电镜对涂层的宏观形貌及微观组织进行观察,利用X射线衍
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结构钢在工业中应用广泛,但由于工况日益复杂,在服役环境中常常受到磨损和腐蚀,导致工件受损或失效,进而造成巨大的经济损失。本文为解决这一实际问题,采用激光熔覆技术在Q235钢表面制备了AlxCoCrFeNiCu(x=0、0.5、1、1.5、2)高熵合金涂层以及原位陶瓷颗粒(TiB2、TiC)高熵合金复合涂层。采用体式显微镜、金相显微镜以及场发射扫描电镜对涂层的宏观形貌及微观组织进行观察,利用X射线衍射仪、显微硬度仪、摩擦磨损试验仪、白光干涉仪以及电化学工作站对涂层的物相、硬度、摩擦磨损性能以及耐蚀性能进行了表征。得出以下结论:(1)通过设计四因素三水平正交实验,并对结果进行极差和方差分析,得出了最优的激光工艺组合,即:铺粉厚度1.25mm,扫描速度180mm·min-1,电流大小220A,离焦量-7mm。(2)AlxCoCrFeNiCu高熵合金涂层成型致密,没有气孔出现。随着Al含量的增加,涂层硬度提高,韧性下降,高铝涂层内部出现裂纹。AlxCoCrFeNiCu高熵合金涂层的物相由简单的固溶相组成,并随着Al含量的增加,涂层物相由单一的FCC相向FCC+BCC双相,再到单一BCC相转变。涂层组织由等轴树枝晶、柱状树枝晶和平面晶组成,随着Al含量的增加,涂层中部的柱状树枝晶晶粒尺寸逐渐减小,当Al2CoCrFeNiCu时,柱状树枝晶消失。Al元素在枝晶上富集,Cu元素在枝晶间发生偏聚,其他元素在涂层中分布均匀。(3)随着Al含量的增加,AlxCoCrFeNiCu高熵合金涂层的显微硬度逐渐增加。其中Al2CoCrFeNiCu涂层硬度最高,达到了673HV0.2,是CoCrFeNiCu涂层的3.3倍。随着Al含量增加,涂层的耐磨性能得到提升,涂层摩擦系数逐渐减小,磨损率逐渐降低。Al2CoCrFeNiCu涂层具有最低的摩擦系数和最小的磨损率,其磨损率仅为CoCrFeNiCu涂层的2.3%。CoCrFeNiCu、Al2CoCrFeNiCu磨损机制为粘着磨损,AlCoCrFeNiCu涂层的磨损机制为粘着磨损伴随着磨粒磨损,Al1.5CoCrFeNiCu、Al2CoCrFeNiCu的磨损机制以磨粒磨损为主。(4)Al元素的加入使高熵合金涂层整体的耐蚀性能下降,随着Al含量的增加,涂层耐蚀性能先升后降。其中AlCoCrFeNiCu涂层具有最正的腐蚀电位、最小的自腐蚀电流密度、最大的阻抗模值以及最高的相位角,表现出最好的耐蚀性能。AlxCoCrFeNiCu高熵合金涂层在3.5%Na Cl溶液中的腐蚀行为以点蚀为主,单位面积内Al2CoCrFeNiCu涂层的腐蚀坑数量最多,平均深度最深,耐蚀性最差。(5)在AlCoCrFeNiCu高熵合金涂层中加入了Ti和B4C粉末,制备了不同质量分数(10%、20%、30%)的原位陶瓷颗粒高熵合金复合涂层。涂层成型良好,无气孔、裂纹和咬边等缺陷发生。原位陶瓷颗粒高熵合金复合涂层的物相由FCC+BCC、TiB2和TiC相组成,并随着Ti和B4C质量分数的增加,BCC相含量增强。涂层组织由网状组织构成,并在网状组织内部弥散生长出具有矩形、六边形特征的TiB2颗粒和具有十字状或鱼骨状等对称结构的TiC颗粒。(6)原位陶瓷颗粒(TiB2、TiC)高熵合金复合涂层的硬度相较于AlCoCrFeNiCu高熵合金涂层得到显著提升,并随着添加的Ti和B4C质量分数的增加而上升。其中AlCoCrFeNiCu+(Ti+B4C)-30%(简写为HEA-30%)涂层的硬度最高,达到了1012HV0.2。原位陶瓷颗粒高熵合金复合涂层相较AlCoCrFeNiCu高熵合金涂层表现出更低摩擦系数和更小的磨损率,耐磨性能得到明显提升,并随着Ti和B4C质量分数的增加耐磨性能上升。原位陶瓷颗粒高熵合金复合涂层的磨损机制为磨粒磨损为主,伴随着少量粘着磨损。TiB2在涂层中以B4C为核生长,形成六边形和矩形形状的陶瓷颗粒,并在体系中优先于TiC形成,原位陶瓷颗粒在涂层中的强化机理主要为弥散强化和细晶强化。
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