FeCoNiCuCrMn高熵合金涂層性能研究

彭佳，顏?zhàn)硬?，劉興元

(四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料工程系，四川德陽(yáng)618000)

FeCoNiCuCrMn高熵合金涂層性能研究

彭佳，顏?zhàn)硬?，劉興元

(四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料工程系，四川德陽(yáng)618000)

利用鎢極氣體保護(hù)焊的方法，在Q235基片上成功制備了FeCoNiCuCrMn高熵合金涂層。XRD結(jié)果顯示，該涂層形成了簡(jiǎn)單的FCC結(jié)構(gòu)。室溫條件下該涂層的顯微硬度達(dá)到了435HV0.5，經(jīng)過850℃退火，涂層的硬度幾乎沒有變化，表現(xiàn)出良好的高溫穩(wěn)定性。FeCoNiCuCrMn涂層的磨損體積和摩擦系數(shù)優(yōu)于S50C鋼。

鎢極氣體保護(hù)焊;高熵合金

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，迫切需要能應(yīng)對(duì)極端工程環(huán)境的硬質(zhì)涂層材料。以TiN為代表的硬質(zhì)涂層已經(jīng)難以適應(yīng)工程的需要，開發(fā)耐磨性好，硬度高，耐高溫的新型涂層材料成為亟待解決的關(guān)鍵課題。2004年，臺(tái)灣學(xué)者葉均蔚教授突破傳統(tǒng)的合金設(shè)計(jì)觀念，創(chuàng)新性地提出了多主元合金，并命名為高熵合金(High－Entropy Alloy，HEA)［1－2］。一般認(rèn)為，高熵合金是指包含5～13種合金元素，組成元素不分主次，含量均在5%～35%，并能夠形成高熵固溶體的合金。大量文獻(xiàn)報(bào)道了高熵合金具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐回火軟化、高耐磨性、高抗氧化性，耐腐蝕等優(yōu)異性質(zhì)［3－7］。

基于高熵合金理念的涂層材料，無疑成為最有研究?jī)r(jià)值的硬質(zhì)涂層之一。目前，傳統(tǒng)的涂層制備方法均已被用于高熵合金涂層，如激光熔覆［8］，鎢極氣體保護(hù)焊［9］，電化學(xué)沉積［10］和磁控濺射［11］等。其中，鎢極氣體保護(hù)焊設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低廉，操作簡(jiǎn)便，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)制備，具有重要的研究?jī)r(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 涂層的制備

選用純度99%以上，細(xì)度200目的金屬Fe，Cr，Mn，Ni，Co，Cu粉，按照等摩爾比將其在攪拌罐中充分混合均勻。再與適量的有機(jī)溶劑混合，攪拌成糊狀。將糊狀混合物涂覆在40 mm×20 mm×10 mm的清潔的Q235基片上，涂覆層厚度控制在1.5～2 mm，表面應(yīng)平整。然后在烤箱中烤干備用。利用鎢極氣體保護(hù)焊熔覆涂覆層，具體參數(shù)如表1所示。根據(jù)后續(xù)實(shí)驗(yàn)的要求，將熔覆后的樣品進(jìn)行線切割、打磨、清洗，加工成待測(cè)樣品。

表1 鎢極氣體保護(hù)焊參數(shù)

1.2 XRD

采用X射線衍射儀(XRD)DX－2600型分析涂層的結(jié)構(gòu)，掃描電壓為30 kV，范圍30°～80°，步長(zhǎng)為0.06°。

1.3 顯微硬度

采用HXD－1000 Knoop顯微硬度儀測(cè)試涂層硬度，加載停留15 s，測(cè)試10個(gè)點(diǎn)，求平均值。

1.4 摩擦性能

采用瑞士CSEM公司摩擦實(shí)驗(yàn)機(jī)，以Pin－On－Disc無潤(rùn)滑的方式評(píng)價(jià)涂層的耐磨損性能，磨球是直徑為6 mm的SiC。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 XRD實(shí)驗(yàn)

圖1為FeCoNiCuCrMn涂層的XRD圖樣，可以看出，F(xiàn)e－CoNiCuCrMn涂層呈現(xiàn)出簡(jiǎn)單的FCC結(jié)構(gòu)，衍射峰分別在大約44°、50.5°和75°的位置。該峰位很接近α－Cu的特征峰位，可以推斷，其余的Fe、Co、Ni、Cr、Mn元素分散在以Cu為基體的FCC的固溶體中，而不是形成復(fù)雜的中間相，說明成功制備了高熵合金涂層。

圖1 FeCoNiCuCrMn涂層的X射線衍射圖

根據(jù)玻爾茲曼的假設(shè)［12］，假設(shè)合金(固溶體)晶體中的原子總數(shù)為n。其摩爾混合熵可表述為

式中R為氣體常數(shù)，當(dāng)n越大時(shí)，混合熵就越高。而根據(jù)熱力學(xué)定律，吉布斯自由能與混合熵的關(guān)系為

熵的增加會(huì)大大降低吉布斯自由能，而吉布斯自由能更低的結(jié)構(gòu)將會(huì)優(yōu)先形成。當(dāng)高熵效應(yīng)導(dǎo)致的自由能低于金屬間化合物的自由能時(shí)，在凝固過程中將優(yōu)先形成簡(jiǎn)單的高熵固溶體，而不是復(fù)雜的金屬間化合物。

2.2 顯微硬度實(shí)驗(yàn)

FeCoNiCuCrMn涂層厚度約為1.2 mm，測(cè)定了從涂層表面到基片表面不同位置的顯微硬度，結(jié)果如圖2所示，涂層表面的最大硬度達(dá)到了約435HV0.5，比基底提高了約50%。這種高硬度可以歸結(jié)為在制備過程中，快速的冷卻速率導(dǎo)致的細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化［13］。圖3是涂層分別經(jīng)過550～950℃高溫退火5 h后硬度的變化情況?？梢钥闯?，直到950℃退火，涂層的硬度有比較明顯的下降，大約為370HV0.5。而550～850℃退火對(duì)涂層的硬度幾乎沒有影響，能大致保持穩(wěn)定，表現(xiàn)出良好的耐高溫性。這一結(jié)果與以前的文獻(xiàn)報(bào)道基本一致［14］。這一現(xiàn)象與多主元的高熵效應(yīng)有關(guān)［15］，在退火處理過程中，不同的主元因?yàn)樵影霃讲煌Ц癜l(fā)生了畸變，導(dǎo)致元素之間的協(xié)同擴(kuò)散和重新分布溶質(zhì)元素比常規(guī)合金要慢的多。因此，850℃以下溫度的退火對(duì)涂層硬度幾乎沒有影響。

圖2 FeCoNiCuCrMn涂層的顯微硬度

圖3 經(jīng)高溫退火后涂層硬度的變化

2.3 摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4顯示了FeCoNiCuCrMn涂層的磨損體積損失，并與耐磨的S50C鋼進(jìn)行了對(duì)比。實(shí)驗(yàn)接觸應(yīng)力為262MPa，在無潤(rùn)滑條件下，分別以0.603 m/s，0.905 m/s，1.206 m/s的速度滑動(dòng)了542.87 m?？梢钥闯觯诟鞣N條件下，F(xiàn)eCoNiCu－CrMn涂層的磨損體積明顯小于S50C鋼。

圖5為FeCoNiCuCrMn涂層和S50C鋼的摩擦系數(shù)對(duì)比，實(shí)驗(yàn)接觸應(yīng)力為262 MPa，滑動(dòng)速度為1.206 m/s。可以看出，S50C鋼的摩擦系數(shù)約為0.70，而FeCoNiCuCrMn涂層的摩擦系數(shù)更低，約為0.45，說明FeCoNiCuCrMn涂層有更好的摩擦性能。

S50C鋼和FeCoNiCuCrMn涂層的摩擦系數(shù)波動(dòng)都很大，根據(jù)這一特點(diǎn)，可以推斷為黏著磨損。在摩擦過程中，摩擦副的碎片和碎片的氧化物結(jié)合在一起，分別作用于S50C鋼和FeCoNiCuCrMn的表面熔覆層，形成黏著磨損。而Fe－CoNiCuCrMn涂層的硬度更高，不容易發(fā)生塑性形變，因而磨損體積更小。

圖4 磨損體積與摩擦速度的關(guān)系

圖5 摩擦系數(shù)與滑動(dòng)距離的關(guān)系

3 結(jié)論

基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到以下結(jié)論:

1)利用鎢極氣體保護(hù)焊成功制備了FeCoNiCuCrMn涂層，XRD結(jié)果顯示形成了簡(jiǎn)單的FCC結(jié)構(gòu)。

2)FeCoNiCuCrMn涂層的硬度達(dá)到了435HV0.5;經(jīng)過850℃高溫退火5 h后，硬度能保持不變。

3)FeCoNiCuCrMn涂層的摩擦性能優(yōu)于S50C鋼。

［1］Yeh Jien－Wei，Chen Swe－Kai，Lin Su－Jien，et al.Nanostructured High entropy alloys withmultiple principal elements: novel alloy design concepts and outcomes［J］.Advanced.Engineering Materials，2004(6):299－303.

［2］Cantor B，Chang IT H，Knight P，et al.Microstructural development in equiatomicmulticomponent alloys［J］.Materials Science and Engineering A，2004，375－377:213－218.

［3］Varalakshmi S，KamarajM，Murty B S.Processing and properties of nanocrystalline CuNiCoZnAlTi high entropy alloys bymechanical alloying［J］.Materials Science and Engineering A，2010(527):1027－1030.

［4］Shun Tao－Tsung，Hung Cheng－Hsin，Lee Che－Fu.The effects of secondary elemental Mo or Ti addition in Al0.3CoCrFeNi high－entropy alloy on age hardening at 700℃［J］.Journal of Alloys and Compounds，2010(495):55－58.

［5］Hsu Chin－You，Juan Chien－Chang，Wang Woei－Ren，et al.On the superior hot hardness and softening resistance of Al－CoCrxFeMo0.5Nihigh－entropy alloys［J］.Materials Science and Engineering A，2011(528):3581－3588.

［6］Lin Chun－Ming，Tsai Hsien－Lung.Equilibrium phase of high－entropy FeCoNiCrCu0.5 alloy at elevated temperature［J］.Journal of Alloys and Compounds，2010(489):30－35.

［7］Tsai Che－Wei，Tsai Ming－Hung，Yeh Jien－Wei，et al.Effect of temperature on mechanical properties of Al0.5CoCrCuFe－Niwrought alloy［J］.Journal of Alloys and Compounds，2010，490，160－165.

［8］Zhang hui，Pan ye，He Yi－Zhu，et al.Microstructure and properties of 6FeNiCoSiCrAlTi High entropy alloy coating prepared by laser cladding［J］.Applied Surface Science，2011(257):2259－2263.

［9］Lin Y C，Cho Y H.Elucidating themicrostructural and tribological characteristics of NiCrAlCoCu and NiCrAlCoMo multicomponent alloy clad layers synthesized in situ［J］.Surface＆Coatings Technology，2009(203):1694－1701.

［10］Yao Chen－Zhong，Zhang Peng，Liu Meng，et al.Electrochemical preparation and magnetic study of Bi－Fe－Co－Ni－Mn high entropy alloy［J］.Electrochimica Acta，2008 (53):8359－8365.

［11］V.Dolique A L.Thomann，P.Brault，Y.Tessier，et al.Complex structure/composition relationship in thin films of Al－CoCrCuFeNi high entropy alloy［J］.Materials Chemistry and Physics，2009(117):142－147.

［12］Yeh JW，Chen SK，Gan JY，etal.Metallurgical and Materials Transactions A 2004，35，2533－2536.

［13］Li C，Li JC，Zhao M，et al.Effect of alloying elements on microstructure and properties of multiprincipal elements high－entropy alloys［J］.JAlloy Compound，2009(475):752－759.

［14］Wen LH，Kou HC，Li JS，et al.Effect of aging temperature on microstructure and properties of AlCoCrCuFeNi highentropy alloy［J］.Intermetallics，2009(17):266－9.

［15］Tsai K Y，TsaiM H，Yeh JW.Sluggish diffusion in Co－Cr－Fe－Mn－Ni high－entropy alloys［J］.Acta Materialia，2013，61 (13):4887－4897.

［16］張旭海，巫亮，曾宇喬，等.不同摻Ag含量下高溫(800℃)沉積CrN/Ag涂層的組織結(jié)構(gòu)及其性能［J］.功能材料，2013(13):1908－1911.

(責(zé)任編輯楊繼森)

Properties of FeCoNiCuCrM n High Entropy Alloy Coatings

PENG Jia，YAN Zi－bo，LIU Xing－yuan
(Department of Materials，Sichuan College of Architectural Technology，Deyang 618000，China)

The FeCoNiCuCrMn high entropy alloy coating was prepared on Q235 substrate by method of gas tungsten arc welding.XRD results show that the coating formed a simple FCC structure.The microhardness of the coating reached 435HV0.5，thewear performance is better than S50C steelwith high temperature stability.

gas tungsten arc welding;high－entropy alloy(HEA)

:A

1006－0707(2014)07－0115－03

format:PENG Jia，YAN Zi－bo，LIU Xing－yuan.Properties of FeCoNiCuCrMn High Entropy Alloy Coatings［J］.Journal of Sichuan Ordnance，2014(7):115－117.

本文引用格式:彭佳，顏?zhàn)硬?，劉興元.FeCoNiCuCrMn高熵合金涂層性能研究［J］.四川兵工學(xué)報(bào)，2014(7):115－117.

10.11809/scbgxb2014.07.032

2014－03－12

德陽(yáng)市2012年重點(diǎn)科學(xué)技術(shù)研究科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012ZZ041－3);四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院2012年院級(jí)課題。

彭佳(1981—)，男，講師，主要從事薄膜功能材料研究。

TG135+.6