基于圖像分析的高熵合金表面缺陷評價研究

（甘肅有色冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 金昌 737100）

人們通常會按照使用材料的發(fā)展歷史將人類社會分為新舊石器時代，青銅時代以及鐵器時代、冷兵器時代、熱兵器時代等幾個階段[1]。這是由于人們的一切勞動均離不開材料的使用，人們對材料應(yīng)用的深度認(rèn)識以及每一次使用程度均不同程度地影響著整個時代的發(fā)展進(jìn)程。這當(dāng)中，金屬材料的出現(xiàn)和發(fā)展更成為人類文明的關(guān)鍵標(biāo)志。但在以往的歷史中，人們對金屬材料的研發(fā)與應(yīng)用均主要集中在以單一或兩種金屬材料作為基本元素，利用增添少量的微量元素去提升以及改善材料基體屬性的合金結(jié)構(gòu)。進(jìn)入近代社會以后，世界各國的工業(yè)、商業(yè)運營方式均發(fā)生了重大的變化，并且更新?lián)Q代的速度也在不斷加快，傳統(tǒng)合金的功能屬性也越發(fā)無法滿足現(xiàn)實生活生產(chǎn)工作的實際需求[2]。高熵合金由于自身較為簡單的組成結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的力學(xué)屬性，使其受到了材料界的廣泛注意。

1 低真空加熱條件下高熵合金的表面形貌變化

高溫環(huán)境下，合金表面形貌的改變對其表面缺陷的面積會產(chǎn)生很大的影響。所以，需要采取附帶高溫條件的研究級別的智能高清顯微鏡原位觀察了CrCoNiMo0.5高熵合金在低真空勻速升溫狀況下表面形貌的改變加熱體系的升溫速率設(shè)置為35℃/min，開啟前需要將設(shè)備內(nèi)抽成真空狀況，真空度設(shè)為小于5Pa。室溫下CrCoNiMo0.5高熵合金的表面會分為兩個不一樣的區(qū)快，附有明顯劃痕的區(qū)快能夠很快就被確定為質(zhì)地比較柔軟的FCC相，表面光滑的區(qū)快則是一種比較堅硬的金屬化合物構(gòu)造。當(dāng)溫度低于660℃的時候，CrCoNiMo0.5高熵合金的表面形貌是不會發(fā)生明顯變化的。而當(dāng)溫度進(jìn)一步升高的時候，CrCoNiMo0.5高熵合金就會逐漸開始發(fā)生一定程度的氧化。因而從理論上看，最早會發(fā)生氧化的區(qū)快有可能就是富含Cr的σ相，而富含Mo的μ相是最為穩(wěn)定的，極不容易發(fā)生氧化情況。

根據(jù)實際經(jīng)驗所得，直至1000℃的時候依然會有零星分布的白色區(qū)塊，可猜測其屬于富含Mo的μ相，這塊金屬化合物相能夠在高溫環(huán)境下保持較長時間而不發(fā)生氧化反應(yīng)。高熵效應(yīng)具體指的是高熵合金設(shè)計的本質(zhì)內(nèi)涵，高熵合金結(jié)構(gòu)中的混合熵必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)合金結(jié)構(gòu)，當(dāng)合金結(jié)構(gòu)中的元素類別足夠多的時候，其結(jié)構(gòu)內(nèi)部的混合熵就有必要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過形成金屬化合物的具體熵變。而高熵合金的多組元特征會讓這種協(xié)同擴(kuò)散很難大面積實現(xiàn)，并且因為其自身的嚴(yán)重晶格畸變情況會增大擴(kuò)散能壘的可能性，大大阻礙原子發(fā)生化學(xué)轉(zhuǎn)移運動，因而，原子在高熵合金中的擴(kuò)散情況會比在傳統(tǒng)合金內(nèi)更難實現(xiàn)。

2 高熵合金的摩擦系數(shù)和高溫軟化性

在高熵合金的耐磨性上，材料學(xué)界主要研究了Co1.5CrFeNi1.5Ti與Al0.2Co1.5CrFeNi1.5Ti高 熵 合 金的耐磨性，并和傳統(tǒng)合金SUJ3、SKH03進(jìn)行比較，對比發(fā)現(xiàn)Al0.2Co1.5CrFeNi1.5Ti高熵合金的耐磨性最好，其耐磨性相比于同等或類似硬度的傳統(tǒng)耐磨鋼SUJ3的4.12倍。而Al0.2Co1.5CrFeNi1.5Ti高熵合金的硬度則比傳統(tǒng)合金SKH03要小300HV，可是其耐磨性卻是SKH03的3.2倍。Co1.5CrFeNi1.5Ti、Al0.2Co1.5CrFeNi1.5Ti高 熵 合 金 優(yōu)秀的耐磨損性主要歸因于高熵合金優(yōu)秀的抗氧化性以及耐高溫軟化性方面。

3 高熵合金抗氧化機(jī)理

TixAlCrNbV高熵合金的抗氧化機(jī)理由是因為其元素類別比較多且形式復(fù)雜多樣，利用試品表面和截面形貌以及成分之間的特性具體能夠歸納出以下幾點：首先，TixAlCrNbV高熵合金的氧化層具備明顯的分層特征，氧化層的黏著性比較好，最外部主要是以氧化鈦為主，包含Cr、Nb等元素的氧化混合部位，次外部則是聯(lián)系較為緊密的三氧化二鋁，由于V元素的存在會造成五氧化二釩與三氧化二鋁之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成AlVO4，破壞了三氧化二鋁的抗氧化能力，使氧原子繼續(xù)擴(kuò)散進(jìn)入基體內(nèi)，在氧化層和基體之間出現(xiàn)厚度比較大的擴(kuò)散部位。TixAlCrNbV高熵合金氧化層的基本結(jié)構(gòu)從外到內(nèi)依次表現(xiàn)為：TiO2+Ti0.8Cr0.1Nb0.1O2+(Ti0.6Al0.2Nb0.2)O2、Al2O3+V2O5+AlVO4、擴(kuò)散層、基體，見圖1。

高熵合金中鈦含量會嚴(yán)重影響到熵合金的氧化性。鈦元素在熵合金結(jié)構(gòu)中的化學(xué)比例會直接影響到熵合金氧化部的實際厚度。當(dāng)鈦元素對的含量比較少的時候，試品表面就不可能會產(chǎn)生足夠多的二氧化鈦去抑制氧氣的大范圍進(jìn)入，而鈦原子的持續(xù)消耗會繼續(xù)增加鋁元素的活性，從而形成了三氧化二鋁氧化層，然而三氧化二鋁氧化層在釩元素的毒害影響下，釩與氧之間會產(chǎn)生五氧化二釩，五氧化二釩極易揮發(fā)導(dǎo)致合金內(nèi)出現(xiàn)空隙結(jié)構(gòu)，進(jìn)而又會和三氧化二鋁之間產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成AlVO4氧化物，使Ⅱ區(qū)富Al、V區(qū)變得稀疏多孔，所以氧原子在較少的二氧化釩的保護(hù)下可以較為輕松的進(jìn)入Ⅲ區(qū)，從而降低其抗氧化性，使得熵合金表面缺陷擴(kuò)大。

圖1 TixAlCrNbV高熵合金氧化層的基本結(jié)構(gòu)

4 結(jié)語

本文對基于圖像分析的高熵合金表面缺陷評價進(jìn)行分析，依托圖像分析機(jī)制，根據(jù)高熵合金表面缺陷出現(xiàn)的原因以及其基本構(gòu)造屬性，實現(xiàn)本文研究。希望本文的研究能夠為基于圖像分析的高熵合金表面缺陷評價的具體方法提供方法論上的指導(dǎo)。