Si含量對氬弧熔覆AlCuFeNiCoSix高熵合金涂層組織及性能的影響

時海芳，李 強(qiáng)，劉 憶

(1. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧阜新 123000； 2. 徐州工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州 221000)

0 前 言

高熵合金是合金發(fā)展中一種新引入的合金材料，由于其獨特的相結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能[1-3]而備受關(guān)注，高熵合金以5～13種不同的元素以相等或近似相等的原子比混合[4,5]，因此導(dǎo)致了高熵合金的高混合熵，原子隨機(jī)占位導(dǎo)致了晶格畸變加劇，進(jìn)而影響了原子的擴(kuò)散，抑制了相分離的產(chǎn)生，形成了BBC[6]和FCC[7]的相結(jié)構(gòu)；另外其獨特的雞尾酒效應(yīng)[8]擴(kuò)大了合金研究范圍，通過適當(dāng)成分設(shè)計可得到性能更優(yōu)異的合金材料。

高熵合金涂層是高熵合金領(lǐng)域分支，高熵合金涂層的制備比高熵合金更簡單方便，最常用的有激光熔覆[9-11]和磁控濺射技術(shù)[12,13]。激光熔覆易出現(xiàn)氣孔和開裂；磁控濺射技術(shù)制備涂層較薄，應(yīng)用范圍小。這兩者都不適用于大規(guī)模生產(chǎn)。氬弧熔覆技術(shù)[14]是近些年來發(fā)展起來的，具有能量集中、操作簡單和焊接速度快等特點。

Al，Cu，F(xiàn)e，Ni，Co元素都是單一的BCC與FCC結(jié)構(gòu)，之間的混合焓較小，易形成固溶體結(jié)構(gòu)。目前大量研究都是探究金屬元素對高熵合金組織性能的影響，連世海[15]探究了Al和Cu含量對AlCuFeCoNi系高熵合金組織性能的影響，發(fā)現(xiàn)適量的Al和Cu提高了高熵合金的硬度與拉伸性。已有研究表明[16]，晶格畸變能提高高熵合金的硬度和耐磨性，而與Cu，F(xiàn)e，Ni，Co元素相比，Si原子半徑較大，加入后可能對晶格畸變造成影響，但非金屬元素對高熵合金組織性能影響的研究很少。為此，本工作以AlCuFeNiCo系作為高熵合金涂層的基礎(chǔ)，采用氬弧熔覆在Q235鋼上制備AlCuFeNiCoSix高熵合金涂層，探究Si含量對高熵合金涂層組織與性能的影響。

1 試 驗

選用99.9%、粒度200目的元素粉末，按照摩爾比Al∶Fe∶Co∶Cu∶Ni∶Si=1∶1∶1∶1∶1∶x(x=0，0.25，0.50，0.75，1.00)比例配制高熵合金熔覆材料。熔覆基體選用Q235鋼，除去氧化膜并用酒精擦干凈烘干。粉末用研缽混合均勻后加入適量的硅酸鈉再混合后，倒入自制模具中，用WE - 30萬能試驗機(jī)在120 kN的壓力下把粉末壓成長10.0 cm、寬2.5 cm、厚0.4 cm的熔覆塊，在120 ℃烘2 h，放在處理好的基體上。使用WS - 500型交流脈沖鎢極氬弧焊機(jī)進(jìn)行單道熔覆，根據(jù)前期試驗，工藝參數(shù)設(shè)定為：電流150 A、氬氣流量8 L/min、熔覆速度2.5 mm/s。使用HRSS - 150數(shù)顯洛氏硬度計測試合金涂層表面硬度，任取5點取平均值。使用電火花切割機(jī)切割合適尺寸試樣，用HV - 50維氏硬度計測試樣截面硬度，載荷為50 N，保壓時間為10 s。使用RD - 6100型X射線衍射儀(XRD)測試材料物相，Cu靶Kα輻射，掃描步長0.04°，掃描速度10 (°)/min。用ML - 100型磨料磨損試驗機(jī)測試高熵合金耐磨性能，載荷45 N，使用80目砂紙作為摩擦面，試驗時間25 min。使用JSM - 7500F型掃描電鏡(SEM)觀察試樣組織。

2 結(jié)果與討論

2.1 組織結(jié)構(gòu)

圖1為不同成分熔覆涂層的XRD譜，圖2為涂層中部顯微形貌。涂層并沒有出現(xiàn)復(fù)雜相結(jié)構(gòu)，均是由BCC和FCC結(jié)構(gòu)相組成，2種相結(jié)構(gòu)所占的比例隨著Si元素的量的改變發(fā)生著變化。未添加Si時，涂層中(111)峰值很低，(110)峰值很高，說明涂層的主要組織結(jié)構(gòu)由BCC構(gòu)成。隨著硅含量的加入，(111)峰的衍射強(qiáng)度會不斷增加，(110)峰的衍射強(qiáng)度先減小后增加再減小，因為Si的原子半徑相對較大，固溶到固溶體中加劇晶格畸變，漫反射效應(yīng)加強(qiáng)，減弱了(110)峰的衍射強(qiáng)度，當(dāng)x=0.75時，BCC衍射峰又超過FCC衍射峰成為主相，這是因為適量的Si固溶其中，使得晶格完整度提高，同時Si是BCC促進(jìn)元素[17]，使得(110)衍射峰強(qiáng)度提高。當(dāng)x=1.00時，(111)峰值又超過(110)峰，主要原因是Si含量的繼續(xù)增加，Si進(jìn)一步取代其他原子固溶晶格中，造成晶格畸變加劇，漫反射進(jìn)一步減弱峰值強(qiáng)度。

從圖2可以看出當(dāng)x=0時，組織以等軸晶為主，晶粒尺寸大，排列緊湊，原因是高熵合金的遲滯擴(kuò)散效應(yīng)，給晶粒生長提供了時間。當(dāng)x=0.25時，組織出現(xiàn)了枝晶生長，并且組織間有夾雜著其他組織，對照XRD譜可以確定是新生成的FCC相結(jié)構(gòu)，因為Si原子半徑較大，在冷卻過程中由于與其他元素的排斥聚集在組織間形成的FCC結(jié)構(gòu)。當(dāng)x=0.50時，組織明顯為枝晶組織，但由于枝晶間的Si含量聚集對枝晶的生長產(chǎn)生抑制作用，使得一次枝晶較為粗大。當(dāng)Si含量達(dá)到0.75時，大量Si的加入降低了熔化液的流動性，稀釋率增加，合金成核率增加，生長緩慢，造成組織密而且不均勻生長，組織更加細(xì)小，保證了合金性能。

2.2 硬 度

圖3是高熵合金涂層的表面硬度。

由圖3發(fā)現(xiàn)隨著Si含量的增加，合金涂層表面的硬度先降低后升高，然后又降低。AlCuFeNiCoSi0.75涂層的硬度最大，達(dá)到62.5 HRC。當(dāng)Si含量低于0.50時，Si的加入使得組織緊密性降低，F(xiàn)CC結(jié)構(gòu)占比增多，F(xiàn)CC結(jié)構(gòu)硬度不如BCC，因此加入Si后合金涂層的硬度減小。繼續(xù)增加Si含量，合金涂層組織變小緊密，大原子Si固溶于晶格中，加劇晶格畸變，所產(chǎn)生的應(yīng)力場與運動位錯相互作用，使得位錯阻力增大，涂層硬度增大。當(dāng)Si含量等于1.00時，晶格畸變過高造成晶格的緊密性，硬度又開始降低。

圖4是不同Si含量高熵合金截面硬度。從圖可以得出x=0，0.25，0.50，0.75，1.00的合金的平均硬度為725.75，672.75，559.50，760.50，658.25 HV50 N。由圖可知：截面硬度由熔覆區(qū)向熱影響區(qū)再向基體降低，雖然各涂層的硬度不同，但降低的趨勢是一樣的，x=0.75高熵合金涂層的硬度是基體的4.75倍，說明了高熵合金高硬度的特點。如果再增加Si含量，合金的硬度有所降低，說明高熵合金的“雞尾酒”效應(yīng)，合金的性能是各元素間相互作用的復(fù)合效應(yīng)，不是簡單的加和。由圖4可以看出過渡區(qū)硬度在基體和涂層之間，說明氬弧熔覆能夠保證涂層與基體良好的冶金結(jié)合，保證涂層的使用性。

2.3 耐磨損性能

圖5是高熵合金涂層在相同摩擦環(huán)境下磨損量柱狀圖。

根據(jù)對比，當(dāng)x=0.75時合金的磨損量最低，說明耐磨性最佳，相比于不添加Si的涂層，耐磨性提高了26.3%。耐磨性的變化與硬度相對應(yīng)，硬度高，耐磨性相對較好。

圖6是不同Si含量高熵合金磨損后的SEM形貌?？梢?，隨著Si的加入(x<0.50)，磨損面的溝槽變寬變深，溝槽內(nèi)有凹陷結(jié)構(gòu)，說明此時磨損機(jī)制是黏著磨損，當(dāng)Si含量達(dá)到0.75時，無論從溝槽深度還是磨損顆粒方面來看都是在降低的，說明Si0.75高熵合金涂層的耐磨性是最好的，溝壑是比較平滑的，是因為磨粒壓入進(jìn)行的切削磨損，此時磨損機(jī)制為磨粒磨損機(jī)制。

3 結(jié) 論

(1)高熵合金涂層結(jié)構(gòu)簡單，都是由FCC和BCC結(jié)構(gòu)組成，這主要得益于高熵合金的高熵效應(yīng)。

(2)適量的Si使得合金晶粒細(xì)化，提高了涂層的致密性，涂層由等軸晶向枝晶轉(zhuǎn)化。

(3)隨著Si含量的增加，高熵合金硬度先減小后增加再減小，在x=0.75時硬度最大，達(dá)到62.5 HRC，耐磨性比未添加Si的涂層提高了26.3%。