激光熔覆AlCoCrFeNiCu高熵合金工藝優(yōu)化及耐蝕性研究

李禮，葉宏,2，劉越，張昆，佘紅艷，屈威，張軍琰，閆忠琳

激光熔覆AlCoCrFeNiCu高熵合金工藝優(yōu)化及耐蝕性研究

李禮1a，葉宏1a,2，劉越1a，張昆1a，佘紅艷1a，屈威1a，張軍琰1a，閆忠琳1b

（1.重慶理工大學(xué) a.材料科學(xué)與工程學(xué)院 b.工程訓(xùn)練與經(jīng)管實(shí)驗(yàn)中心，重慶 400054；2.重慶市高校模具技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054）

通過脈沖Nd: YAG固體激光器在Q235鋼表面熔覆AlCoCrFeNiCu高熵合金涂層，改善其表面性能。采用正交實(shí)驗(yàn)法優(yōu)化激光熔覆工藝參數(shù)，通過X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡（SEM）及能譜儀（EDS）、顯微硬度儀分析涂層的物相組成、顯微組織、元素成分以及硬度分布。采用三電極體系對高熵合金涂層的極化性能以及電化學(xué)阻抗譜（EIS）進(jìn)行測試，研究高熵合金涂層在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中的腐蝕行為。以稀釋率和硬度為響應(yīng)并進(jìn)行極差和方差分析，最終得出的最佳工藝參數(shù)如下：鋪粉厚度為1.25 mm，掃描速度為180 mm/min，電流大小為220 A，離焦量為－7 mm。高熵合金涂層物相由富Cu的FCC相以及富（Al，Ni）的BCC相雙相構(gòu)成。表層微觀組織為細(xì)小、均勻的等軸晶，中部為粗大的柱狀樹枝晶，涂層底部與基體結(jié)合處出現(xiàn)明顯的平面晶。Cu元素在枝晶間出現(xiàn)輕微偏析。涂層最高硬度達(dá)到521HV0.2，是基體的2.7倍。在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中，AlCoCrFeNiCu高熵合金涂層較基體有更正的自腐蝕電位、更小的自腐蝕電流密度、更大的容抗弧半徑以及阻抗模值，表現(xiàn)出良好的耐蝕性。激光熔覆技術(shù)制得的高熵合金涂層成形良好、性能優(yōu)異，AlCoCrFeNiCu高熵合金涂層能有效提高基體耐蝕性，起到保護(hù)作用。

激光熔覆；AlCoCrFeNiCu；工藝優(yōu)化；微觀組織；成分分析；耐蝕性；EIS

“高熵合金（HEA）”自臺灣學(xué)者Yeh等[1]提出以后，迅速進(jìn)入人們視野，并受到廣大研究者的追捧。高熵合金與傳統(tǒng)合金相比有著本質(zhì)上的不同，高熵合金一般包含5種及5種以上元素，且每種元素的原子數(shù)分?jǐn)?shù)均在5%～35%之間[2-3]。憑借熱力學(xué)上的高熵效應(yīng)、結(jié)構(gòu)上的晶格畸變效應(yīng)、動力學(xué)上的遲滯擴(kuò)散效應(yīng)和性能上的雞尾酒效應(yīng)[4-5]，在相結(jié)構(gòu)上高熵合金由簡單固溶體構(gòu)成，并且它具備良好的力學(xué)性能、耐磨性能、耐蝕性能以及抗輻照性能等[6-8]。因此，高熵合金有著巨大的潛在研究價值和廣闊的商業(yè)應(yīng)用前景。

目前制備高熵合金涂層的技術(shù)有磁控濺射法、熱噴涂法、冷噴涂法以及激光熔覆法等[9-11]。其中激光熔覆技術(shù)憑借它冷卻速度快、基體變形小、可控性高、易與基體形成冶金結(jié)合等特點(diǎn)倍受人們青睞[12-13]。涂層成形質(zhì)量及性能的優(yōu)劣不僅取決于合金粉末的成分調(diào)控，還與激光熔覆技術(shù)的參數(shù)密切相關(guān)。向碩等[14]利用激光技術(shù)制備了CrMnFeCoNi高熵合金，并研究了不同激光功率下單向和雙向掃描對其組織及性能的影響，發(fā)現(xiàn)通過控制激光功率，可以調(diào)控高熵合金中柱狀晶和等軸晶的比例，雙向掃描制備的高熵合金具有更好的力學(xué)性能。Modupeola等[15]采用激光熔覆技術(shù)制備了AlTiCrFeCoNi高熵合金涂層，并研究了激光功率和掃描速度對微觀結(jié)構(gòu)及硬度的影響，結(jié)果表明，激光參數(shù)影響著涂層的質(zhì)量和硬度，對工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)控能改善涂層的組織性能。

CoCrFeNi作為高熵合金的一個主要研究體系，有著與304不銹鋼相當(dāng)?shù)目裹c(diǎn)蝕性能，以及優(yōu)異的延展性和出色的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[16-17]。但CoCrFeNi系高熵合金的硬度以及機(jī)械加工強(qiáng)度較低，無法滿足工業(yè)生產(chǎn)加工要求。Annasamy等[18]對AlCoCrFeNi高熵合金的組織演變及力學(xué)性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著Al含量的增加，合金價電子濃度減小，組成相從FCC到FCC+BCC/B2再到BCC/B2相，硬度逐漸增大，然而脆性也隨之增大，給加工帶來不便。劉啟明[19]利用激光增材制造技術(shù)制備了AlCoCrFeNiCu高熵合金，發(fā)現(xiàn)隨著Cu的加入，Cu元素會偏向形成FCC相，對提高合金塑性起促進(jìn)作用，可以改善其機(jī)械加工性能。石蕓竹[20]對AlCoCrFeNi高熵合金的耐蝕性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著Al含量的增加，BCC相的體積分?jǐn)?shù)增加，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中的耐蝕性下降，富Al貧Cr的BCC相比FCC相更易被腐蝕。Ren等[21]對CuCrFeNiMn高熵合金在1 mol/L的H2SO4溶液中的腐蝕行為進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在CuCrFeNiMn高熵合金中，當(dāng)Cu元素減少、偏析較低時，高熵合金具有較好的耐蝕性，但當(dāng)Cu含量高、偏析嚴(yán)重時，其耐蝕性能降低。

以上分析表明，在CoCrFeNi體系中，AlCoCrFeNiCu高熵合金具有良好的綜合性能，此前對其力學(xué)以及耐磨性能研究較多，但對其耐蝕性的報道十分有限且不深入。想要改善材料表面性能，使高熵合金兼?zhèn)淞己玫臋C(jī)械加工性能和耐腐蝕性能，研究AlCoCrFeNiCu高熵合金涂層的腐蝕行為十分必要。文中采用正交實(shí)驗(yàn)法對激光工藝進(jìn)行優(yōu)化，利用激光熔覆技術(shù)在Q235鋼表面制備了AlCoCrFeNiCu高熵合金涂層，對其組織結(jié)構(gòu)、硬度、耐蝕性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并從電化學(xué)阻抗（EIS）角度對其腐蝕行為進(jìn)行了分析，為AlCoCrFeNiCu高熵合金涂層的組織及耐蝕性能研究提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)與數(shù)據(jù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)

基體選用Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼，其名義成分見表1。涂層材料為純度高于99.9%、粒度75～105 μm、按等物質(zhì)的量比混合而成的AlCoCrFeNiCu粉末。

表1 Q235鋼化學(xué)成分

Tab.1 Chemical composition of the Q235 steel wt.%

將基體（60 mm×40 mm×4 mm）用粒度為80、320、600目的砂紙打磨，除去表面銹跡保持表面平整，再用丙酮、酒精超聲震蕩，除去表面油脂及雜質(zhì)。采用脈沖Nd: YAG多功能激光器（JJM–1GXY–800B）對預(yù)鋪粉末進(jìn)行熔覆實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，通入氬氣作為保護(hù)氣體，避免熔池氧化。通過正交實(shí)驗(yàn)法探究激光熔覆AlCoCrFeNiCu高熵合金涂層的最優(yōu)工藝參數(shù)。設(shè)計(jì)了四因素三水平L9(34)正交實(shí)驗(yàn)表，選擇鋪粉厚度（）、掃描速度（）、電流大小（）和離焦量（）為因素變量。具體正交設(shè)計(jì)方案見表2和表3。其他工藝參數(shù)如下：頻率為8 HZ，脈寬為6 ms，搭接率為50%，氬氣流量為15 L/min。

表2 正交實(shí)驗(yàn)因素與水平

Tab.2 Orthogonal experiment factors and levels

表3 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

Tab.3 Orthogonal experiment design scheme

通過線切割機(jī)將試樣切割成10 mm×10 mm× 4 mm的金相試樣，以及15 mm×15 mm×4 mm的電化學(xué)試樣。采用X射線衍射儀對熔覆層進(jìn)行物相分析；利用掃描電鏡及其自帶能譜儀分析涂層組織形貌和成分分布；使用顯微維氏硬度計(jì)測試熔覆層截面硬度分布，測試載荷為0.98 N（200 g），保壓時間為15 s。通過Gamy 3000電化學(xué)工作站研究高熵合金涂層在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl水溶液中的腐蝕行為，非工作面用樹脂密封。本實(shí)驗(yàn)采用三電極體系，高熵合金涂層為工作電極，飽和甘汞電極（SEC）為參比電極，鉑片為輔助電極。在電化學(xué)阻抗譜測試中，掃描頻率范圍為10?2～105Hz，選用正弦交流電作為激勵信號，振幅為10 mV。

2 結(jié)果與討論

2.1 工藝優(yōu)化

激光熔覆正交實(shí)驗(yàn)選擇四因素三水平L9(34)正交表，以稀釋率（Dilutionrate）、顯微硬度（Micro-hardness）作為響應(yīng)。在工業(yè)應(yīng)用及研究中發(fā)現(xiàn)，稀釋率的大小直接影響涂層成形質(zhì)量以及性能優(yōu)劣，稀釋率過大，會造成嚴(yán)重的元素?cái)U(kuò)散，增大開裂變形的傾向；稀釋率過小，會使涂層與基體不能形成良好的冶金結(jié)合，從而影響涂層質(zhì)量。因此，經(jīng)過前期研究發(fā)現(xiàn)，將涂層稀釋率控制在一個適中范圍（5%<<15%）非常重要。在實(shí)際計(jì)算中，稀釋率主要有2種計(jì)算方法：（1）=/(+)，其中為熔覆深度，為熔覆高度；（2）=1/(1+2)，其中1為熔覆深度面積，2熔覆高度面積。為了更為準(zhǔn)確地得到稀釋率，將樣品截面形貌導(dǎo)入AutoCAD中描繪輪廓，進(jìn)行測量計(jì)算，最后取2種方法的平均值作為最終稀釋率。在每個高熵合金涂層上部測量3組硬度值數(shù)據(jù)，取硬度值的平均數(shù)作為硬度響應(yīng)值。正交實(shí)驗(yàn)響應(yīng)結(jié)果、極差分析和方差分析分別見表3—5。

對表4的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，極差分析結(jié)果如表5所示，可以看出，不同影響因素對稀釋率的影響程度不同。從極差的大小可以得出，工藝參數(shù)對稀釋率的影響程度從大到小依次為：電流大小>鋪粉厚度>掃描速度>離焦量；工藝參數(shù)對顯微硬度的影響程度從大到小依次為：掃描速度>電流大小>離焦量>鋪粉厚度。取適中稀釋率為目標(biāo)，從3個值（各因素在不同水平下稀釋率的平均值）可以得出，以稀釋率為響應(yīng)的優(yōu)化工藝組合為3222；以顯微硬度為響應(yīng)的優(yōu)化工藝組合為2223。為了進(jìn)一步優(yōu)化得到最佳工藝組合，對正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了方差（）分析，如表6所示?？梢钥闯?，當(dāng)顯著水平取0.05時，臨界值為4.46。以稀釋率為響應(yīng)時，()>()>()>()，說明影響稀釋率大小最重要的因素為電流大小，其次是鋪粉厚度、掃描速度和離焦量。以顯微硬度為響應(yīng)時，()>()>()>()，說明影響硬度大小最重要的因素為掃描速度，其次是電流大小、離焦量和鋪粉厚度。通過對稀釋率和顯微硬度的極差和方差進(jìn)行對比分析可得，鋪粉厚度對稀釋率的影響更為顯著，所以選擇3更為合適；離焦量對顯微硬度的影響更為顯著，所以選擇3更為合適。綜上所述，最優(yōu)工藝組合（Optimal Horizontal Group）為3223，即鋪粉厚度為1.25 mm、掃描速度為180 mm/min、電流大小為220 A、離焦量為?7 mm。在最優(yōu)工藝參數(shù)下制備的AlCoCrFeNiCu高熵合金涂層成形良好，因此在此工藝組合下進(jìn)行組織及性能表征。

表4 正交實(shí)驗(yàn)響應(yīng)結(jié)果

Tab.4 Response results of orthogonal experiment

表5 正交實(shí)驗(yàn)極差分析

Tab.5 Range analysis of orthogonal experiment

表6 正交實(shí)驗(yàn)方差分析

Tab.6 Analysis of variance of orthogonal experiment

2.2 物相分析

圖1為AlCoCrFeNiCu高熵合金涂層熔覆前后的XRD圖譜。從圖1可以看出，高熵合金熔覆前粉末物相主要由各金屬單質(zhì)組成，沒有合金化。而熔覆后的高熵合金涂層的物相由FCC+BCC雙相構(gòu)成，并沒有形成復(fù)雜的金屬間化合物。將FCC相和BCC相的反射峰角度代入布拉格方程中進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)FCC相的晶格常數(shù)與Cu的晶格常數(shù)很接近，其中差距是由其他元素固溶所導(dǎo)致的，從而判斷FCC相為富銅相；而BCC相則是由富（Al，Ni）相構(gòu)成，由于Al較其他元素具有更大的原子半徑，由于大尺寸效應(yīng)，Al原子進(jìn)入FCC結(jié)構(gòu)的體內(nèi)，造成晶格畸變，從而形成BCC相，即Al原子占據(jù)體心立方中心位置，Ni原子分布于頂角位置。

圖1 AlCoCrFeNiCu高熵合金涂層熔覆前后的XRD衍射圖

2.3 顯微組織分析

圖2為激光熔覆AlCoCrFeNiCu高熵合金涂層組織的SEM圖。由圖2a可知，涂層與基體有著適中的稀釋率，涂層和基體間冶金結(jié)合良好，涂層內(nèi)部無氣孔、裂紋等缺陷。涂層組織由下到上依次為平面晶、柱狀樹枝晶和等軸晶。在涂層底部，在凝固過程中，基體與液相線交接處溫度梯度（）大，凝固速率（）趨于0，/值很大，且熔池界面處的溫度最高，結(jié)晶前沿形成的凸起會被快速溶解而形成平面晶[22]（如圖2d所示）；在涂層中部，由于的增大，/減小，加上熔池內(nèi)部強(qiáng)烈的Marangoni對流運(yùn)動[23]，組織主要由粗大且多方向的柱狀樹枝晶組成（如圖2c所示）；在涂層頂部，由于的減小、的增大，/值進(jìn)一步減小，熔池中的液體處于深度過冷狀態(tài)，從而形成了細(xì)小、均勻的等軸樹枝晶（如圖2b所示）。

圖2 AlCoCrFeNiCu高熵合金涂層組織SEM圖像

為了分析涂層中的元素分布，對高熵合金涂層進(jìn)行EDS成分分析。圖3為涂層頂部面能譜分析結(jié)果，可以看出各元素在涂層中整體分布較為均勻。表7為AlCoCrFeNiCu高熵合金涂層的點(diǎn)能譜分析結(jié)果。從涂層頂部（′）、中部（′）、底部（′）處的成分定量分析結(jié)果可以看出，高熵合金涂層各部分的元素成分含量與理論值較為相符。其中Fe元素含量高于理論值，這是由于基體為Q235鋼，其主要元素含量為Fe，激光熔覆過程中難免會出現(xiàn)稀釋現(xiàn)象，而從而造成Fe元素略高于理論值；而Al、Cu的熔點(diǎn)較低，是由于在高能激光束的作用下，Al、Cu的燃燒和蒸發(fā)導(dǎo)致熔覆層含量低于理論值，但各主元原子的原子數(shù)分?jǐn)?shù)仍在5%～35%以內(nèi)，所以仍為高熵合金涂層。對比晶內(nèi)（′）以及晶界（'）的元素成分可以發(fā)現(xiàn)，Cu元素相較于其他成分有著較高的焓值以及較低的熔點(diǎn)，從而被排斥在枝晶間，造成Cu在枝晶間輕微偏析[24]。

2.4 顯微硬度

圖4為AlCoCrFeNiCu高熵合金涂層截面以及表面的硬度分布情況。圖4a為高熵合金涂層截面硬度分布情況，可以看出，在激光高能束的作用下，涂層的頂部溫度梯度小，冷卻速度快，形成了細(xì)小的等軸晶，涂層頂部硬度較高，最高值為521HV0.2，是基體硬度（190HV0.2）的2.7倍；在涂層中下部，由于較大的溫度梯度以及熔池對流影響，形成了多方向且粗大的柱狀晶，導(dǎo)致硬度降低且不穩(wěn)定。圖4b為高熵合金涂層表面硬度分布情況，可以看出，AlCoCrFeNiCu高熵合金涂層截面的表面硬度較為穩(wěn)定，平均硬度為524.6HV0.2。這是因?yàn)樘赜械母哽匦?yīng)使涂層由簡單的固溶體相（FCC+BCC）構(gòu)成，Al元素相較于AlCoCrFeNiCu中的其他原子有著較大的原子半徑，進(jìn)入其他晶體內(nèi)會造成嚴(yán)重的晶格畸變，增強(qiáng)了固溶強(qiáng)化效果，從而AlCoCrFeNiCu高熵合金涂層整體有著較高的硬度。

圖3 AlCoCrFeNiCu高熵合金涂層頂部組織的EDS分析

表7 AlCoCrFeNiCu高熵合金涂層的EDS分析

Tab.7 EDS analysis of AlCoCrFeNiCu high-entropy alloy coating at.%

圖4 AlCoCrFeNiCu涂層硬度分布

2.5 耐蝕性能分析

圖5為AlCoCrFeNiCu高熵合金涂層以及基體在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中的電化學(xué)極化曲線。在電化學(xué)腐蝕過程中，主要是Cl?易與金屬元素形成配合物，穿透材料的腐蝕產(chǎn)物膜，從而影響材料的腐蝕行為[25]。從圖5可以看出，在AlCoCrFeNiCu高熵合金涂層的極化曲線中出現(xiàn)了較窄的鈍化區(qū)域，說明有鈍化膜生成，而鈍化膜被Cl?擊穿后繼續(xù)腐蝕，這是由于在AlCoCrFeNiCu涂層中，主要是Al、Co和Ni起到耐蝕作用，在腐蝕過程中會形成一層鈍化膜阻礙腐蝕的進(jìn)行，但同時涂層中Cu元素偏析與涂層中其他金屬元素形成原電池會加速腐蝕，從而使高熵合金涂層鈍化膜很快被擊穿。表8為極化曲線進(jìn)行塔菲爾擬合后得到的自腐蝕電位corr以及自腐蝕電流密度corr?？梢钥闯觯珹lCoCrFeNiCu高熵合金涂層較基體有更正的自腐蝕電位、更小的自腐蝕電流密度（較基體高了一個數(shù)量級），說明AlCoCrFeNiCu高熵合金涂層較基體有著更好的耐蝕性能，能對基體起到保護(hù)作用。

圖5 高熵合金涂層與基體的極化曲線

表8 高熵合金涂層和基體的自腐蝕電位以及自腐蝕電流密度

Tab.8 Ccorrosion potential and corrosion current density of high-entropy alloy coating and substrate

為了進(jìn)一步對高熵合金涂層及基體的腐蝕行為進(jìn)行研究，進(jìn)行了電化學(xué)阻抗（EIS）測試，并用Zview軟件對結(jié)果進(jìn)行擬合，擬合得到等效電路圖見圖6，擬合參數(shù)見表9。圖6為AlCoCrFeNiCu高熵合金涂層及基體在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中的電化學(xué)阻抗譜EIS測試結(jié)果。圖6a為高熵合金涂層與基體的Nyquist圖，可以看出，高熵合金涂層較基體有更大的容抗弧，說明在電化學(xué)過程中電荷轉(zhuǎn)移電阻更大，AlCoCrFeNiCu高熵合金涂層具有更好的耐蝕性。圖6b為Bode圖，反映了頻率與阻抗模值以及相位角之間的關(guān)系，可以看出，AlCoCrFeNiCu高熵合金涂層的阻抗模值明顯高于基體，說明高熵合金涂層具有更好的耐蝕性能；相較于基體，高熵合金涂層的相位角更接近于90°，說明生成的鈍化膜更完全，且高熵合金相位角峰寬涵蓋的頻率范圍更廣，表明形成的鈍化膜可以在更長的時間內(nèi)保持其特征響應(yīng)，耐蝕性能更好[26]。

表9 等效電路模型的擬合參數(shù)

Tab.9 Fitting parameters of the equivalent circuit model

圖6 AlCoCrFeNiCu高熵合金涂層以及基體在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%NaCl溶液中的阻抗圖

圖7為擬合得到的等效電路圖模型示意圖，其中s為溶液電阻，1為基體電阻，CPE1為基體雙電層電容，c為高熵合金涂層電阻，ct為電荷轉(zhuǎn)移電阻，CPE2為涂層雙電層電容，CPE3為涂層基體雙電層電容，為彌散效應(yīng)程度，值越接近1表明體系越接近理想電容，1、2、3分別為CPE1、CPE2、CPE3等3個元器件的彌散系數(shù)。從圖7可知，高熵合金涂層與基體都只有一個容抗弧和一個電容峰，說明在涂層和基體的體系中，反應(yīng)界面均只有一個，只含一個時間常數(shù)[27]。等效電路模型的擬合參數(shù)見表9，可以看出，涂層的綜合電阻遠(yuǎn)大于基體的綜合電阻，說明在腐蝕過程中，涂層阻礙電子轉(zhuǎn)移能力更強(qiáng)，耐蝕性能更好，能對基體起到保護(hù)作用。

圖7 AlCoCrFeNiCu高熵合金涂層和基體的等效電路圖

3 結(jié)論

1）通過正交實(shí)驗(yàn)法，得到激光熔覆AlCoCrFeNiCu高熵合金涂層最優(yōu)工藝組合如下：鋪粉厚度為1.25 mm、掃描速度為180 mm/min、電流大小為220 A、離焦量為?7 mm。AlCoCrFeNiCu高熵合金涂層的物相由FCC+BCC雙相組成。

2）高熵合金涂層的組織由內(nèi)及外依次為平面晶、柱狀樹枝晶和等軸樹枝晶。涂層各元素成分接近等物質(zhì)的量配比，其中Cu元素在枝晶間偏聚。涂層截面的截面硬度最高值為521HV0.2，是基體硬度的2.7倍。

3）在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中，AlCoCrFeNiCu高熵合金涂層較基體有更正的自腐蝕電位、更小的自腐蝕電流密度、更大的容抗弧半徑以及阻抗模值，說明高熵合金涂層耐蝕性能優(yōu)于基體，能提高基體耐蝕性能，起到保護(hù)作用。

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Process Optimization and Corrosion Resistance of Laser Cladding AlCoCrFeNiCu High-entropy Alloy

1a,1a,2,1a,1a,1a,1a,1a,1b

(1. a. School of Materials Science and Engineering, b. Engineering Training and Economic Management Experimental Center, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China; 2. Chongqing University Key Laboratory of Mould Technology, Chongqing 400054, China)

This paper aims to optimize the surface mechanical properties of Q235 steel by cladding the AlCoCrFeNiCu high-entropy alloy coating by pulsed Nd: YAG solid-state laser. Orthogonal experiment method is proposed to optimize laser cladding process parameters, and the X-ray diffractometer, scanning electron Microscope (SEM), energy spectrometer (EDS), Microhardness tester were carried out to analyze the phase composition, microstructure, element composition and hardness distribution of the coating. A three-electrode system was used to test the polarization performance and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) of the high-entropy alloy coating to study its corrosion resistance in 3.5wt.%NaCl solution. The results taking dilution rate and hardness as response to analyze its range and variance, and the optimal process parameters were obtained as coating thickness of 1.25 mm, scanning speed of 180 mm/min, current size of 220 A, and defocus amount of ?7 mm. The Cu-rich FCC phase and the (Al, Ni) BCC phase constitute the high-entropy alloy coating phase. The Cu element segregates between the dendrites. The microstructure of the surface layer is fine and uniform equiaxed crystals, the middle part is thick columnar dendrites, and the plane crystals can be observed at the junction between the bottom of the coating and the substrate obviously. Furthermore, the maximum hardness of the coating reaches 521HV0.2, which is 2.7 times that of the substrate. In 3.5wt.%NaCl solution, the high entropy alloy coating of AlcoCrFeNiCu shows good corrosion resistance than the substrate with a more positive self-corrosion potential, smaller self-corrosion current density, larger reactance arc radius and impedance film value. In conclusion, the laser cladding technology can produce high-entropy alloy coatings with good forming and performance, and the AlCoCrFeNiCu high-entropy alloy coating can protect the substrate by effectively improve the corrosion resistance.

laser cladding; AlCoCrFeNiCu; process optimization; microstructure; composition analysis; corrosion resistance; EIS

TG174.442

A

1001-3660(2022)07-0388-09

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.07.039

2021–06–25；

2021–10–10

2021-06-25；

2021-10-10

2020年重慶理工大學(xué)研究生創(chuàng)新項(xiàng)目（clgycx20203020）；大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（2021CX022）

2020 Chongqing University of Technology Postgraduate Innovation Project (clgycx20203020); College Student Innovation and Entrepreneurship Training Program (2021CX022)

李禮（1995—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榧す馊鄹哺哽睾辖稹?/p>

LI Li (1995-), Male, Postgraduate, Research focus: laser cladding high-entropy alloy.

葉宏（1967—），女，碩士，教授，主要研究方向?yàn)榻饘俨牧媳砻娓男浴?/p>

YE Hong (1967-), Female, Master, Professor, Research focus: metal material surface modification.

李禮, 葉宏, 劉越, 等. 激光熔覆AlCoCrFeNiCu高熵合金工藝優(yōu)化及耐蝕性研究[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(7): 388-396.

LI Li, YE Hong, LIU Yue, et al. Process Optimization and Corrosion Resistance of Laser Cladding AlCoCrFeNiCu High-entropy Alloy[J]. Surface Technology, 2022, 51(7): 388-396.

責(zé)任編輯：蔣紅晨