NiCo(CrTiV,FeAlCu)系高熵合金及涂层的制备与性能研究
高熵合金及高熵合金涂层具有高硬度、高强度、良好的耐磨性和耐腐蚀性能,正成为材料科学领域的研究热点之一。本课题首先设计了NiCrCoTiV块体高熵合金,后利用激光熔覆技术制备了NiCrCoTiV系列和FeNiCoAlCu系列高熵合金及涂层,并系统地研究了高熵合金涂层的高温摩擦学性能、高温稳定性能和耐腐蚀性能。同时借助TEM、STEM等手段研究了高熵合金涂层的界面特征,其中包括涂层/基体界面和两相相界面。并进一步利用TEM下原位拉伸技术定量表征了Ni-Cr-Co-Ti-V-Al高熵合金涂层的断裂行为。<br>  NiCrCoTiV块体高熵合金的相结构比较复杂,但相数依然小于吉布斯平...
高熵合金及高熵合金涂层具有高硬度、高强度、良好的耐磨性和耐腐蚀性能,正成为材料科学领域的研究热点之一。本课题首先设计了NiCrCoTiV块体高熵合金,后利用激光熔覆技术制备了NiCrCoTiV系列和FeNiCoAlCu系列高熵合金及涂层,并系统地研究了高熵合金涂层的高温摩擦学性能、高温稳定性能和耐腐蚀性能。同时借助TEM、STEM等手段研究了高熵合金涂层的界面特征,其中包括涂层/基体界面和两相相界面。并进一步利用TEM下原位拉伸技术定量表征了Ni-Cr-Co-Ti-V-Al高熵合金涂层的断裂行为。
  NiCrCoTiV块体高熵合金的相结构比较复杂,但相数依然小于吉布斯平衡相数。经过500℃、600℃和700℃热处理后其相组成基本不变,但第二相晶粒得到一定程度的细化且随着热处理温度的升高,细化程度上升,其耐腐蚀性能进一步提升,且700℃热处理后的高熵合金在1mol/L H2SO4溶液中表现出最优的耐腐蚀性能。
  Ni-Cr-Co-Ti-V-Al高熵合金涂层大大提升了TC4钛合金的抗氧化性能和耐磨性能。高温热处理(900℃,8h)并不改变高熵合金涂层的相组成与显微组织,其表面生成的NiO氧化膜和Al,Cr合金化元素是高熵合金涂层具有良好高温氧化性能的最主要原因。高熵合金涂层/TC4钛合金基体界面两侧的晶体结构与元素组成有着明显的差别,界面阻碍了基体与涂层之间的元素扩散与传质;β-Ti/(Ni,Co)Ti2相界面及BCC/(Ni,Co)Ti2相界面为半共格或非共格界面,两相之间没有明显的位向关系。
  激光重熔后,Ni-Cr-Co-Ti-V高熵合金涂层的相组成不发生改变,但其显微组织显著变化。激光重熔后的Ni-Cr-Co-Ti-V高熵合金涂层内的Ti-rich相的体积分数明显增大且固溶度增加,晶粒得到细化,导致涂层的硬度提高,进而提升了其耐磨性。
  富Fe多主元NiCrCoTiVx高熵合金涂层含有60at.%Fe元素,远远高于高熵合金及涂层的原有设计值(5%~35%),具有较高的经济性与适用性。随着V元素含量的增多,NiCrCoTiVx高熵合金涂层的相组成不变,但Fe2Ti型Laves相的晶粒尺寸细化。细化的Fe2Ti型Laves晶粒以及V元素含量,是导致高熵合金涂层具有不同耐磨性、耐蚀性和耐热稳定性的直接原因。
  FeNiCoAlCu高熵合金涂层具有良好的热稳定性和高温耐磨性。高温下氧化膜的生成和780℃发生的BCC→FCC的相转变会直接影响到高熵合金涂层的高温摩擦学性能。石墨添加会抑制涂层中BCC固溶体相的生成而促进FCC固溶体相的生成。8wt.%添加量的石墨/FeNiCoAlCu高熵合金涂层在室温和600℃下具有最佳的减摩耐磨性,过多的石墨添加将会导致高熵合金中出现针片状的组织反而降低涂层的耐磨性。
  激光熔覆Ni-Cr-Co-Ti-V-Al高熵合金涂层在TEM下原位拉伸过程中,发生了明显的位错运动和裂纹萌生与扩展过程。位错的运动和塞积会诱发裂纹源的生成,而且轴向拉力会诱发非晶相的形成;位错的消失与增殖可能是导致高熵BCC相发生晶型转变的主要原因。拉伸断裂定量分析结果表明:高熵BCC相的杨氏模量、断裂强度和断裂总伸长率的测量值分别为~108GPa、2.70GPa和2.6%。
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作者: 蔡召兵
学科专业: 材料科学与工程
授予学位: 博士
学位授予单位: 哈尔滨工程大学
导师姓名: 金国
学位年度: 2018
语 种: chi
分类号: TG174.44
在线出版日期: 2019年1月5日