激光熔覆WC增强FeCoNiCr高熵合金复合涂层的制备及组织性能研究

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高熵合金具有优异的力学性能、耐磨性、耐蚀性以及耐高温性能,在极端工况下具有巨大的应用潜力。激光熔覆技术凭借能量密度高、稀释率低、快热快冷、界面冶金结合等特性,成为制备高熵合金的主要方法之一。但是单相面心立方(FCC)或体心立方(BCC)的高熵合金,由于强度-塑性不匹配而导致综合性能不佳,限制其工程应用。硬质颗粒增强FCC结构高熵合金是解决强度-塑性不匹配的重要途径,成为国内外研究热点之一。本文系统探究激光功率、扫描速度对激光熔覆Fe Co Ni Cr高熵合金涂层的显微组织、物相组成、显微硬度、耐磨损性能、耐腐蚀性能影响规律。研究了不同含量WC对激光熔覆Fe Co Ni Cr高熵合金复合涂层的显微组织、物相组成、显微硬度、耐磨损性能、耐腐蚀性能的影响规律。对WC增强Fe Co Ni Cr高熵合金复合涂层梯度/交替多层结构进行设计,研究不同结构对高厚度涂层的力学性能、耐腐蚀性能、抗冲击性能的影响。研究结果表明:激光功率和扫描速度对Fe Co Ni Cr高熵合金涂层的成型质量与宏观形貌有较大的影响。随激光功率增加,单道的熔高先增加后减小,随扫描速度的增加熔高逐渐减小;随激光功率增加,单道熔宽逐渐增加,随扫描速度增加,单道熔宽逐渐减小。多道搭接涂层由FCC单相组成,涂层中顶部区域晶粒形貌为细小的等轴晶,涂层底部晶粒形貌为粗大的柱状晶,整体呈现双层结构。涂层的显微硬度较低,平均显微硬度为170 HV0.2。涂层的耐磨损性能,在一定范围内随激光功率的增加先下降后上升,随扫描速度的增加而上升;而涂层的耐腐蚀性能随激光功率增加逐渐下降,随扫描速度的增加而上升。加入WC颗粒后,Fe Co Ni Cr高熵合金复合涂层相组成由FCC单相向FCC相、WC相、W2C相和Co4W2C相转变。微观组织形貌由顶部等轴晶、底部柱状晶向树枝晶转变,并且发现块状和鱼骨状含碳析出相,二者含量随着WC含量的增加而增加。复合涂层的显微硬度对比不添加WC时有明显升高,添加60%WC后,复合涂层显微硬度达到501 HV0.2,提升了约186%。随WC含量增加,复合涂层的摩擦系数、磨损体积和磨损率均有较大幅度下降,复合涂层耐磨损性能不断提升。在添加WC颗粒后,涂层的耐腐蚀性能有所下降,但仍优于激光熔覆Ni60、Stellite6等显微硬度相近的涂层。设计并制备了具有梯度结构和交替结构的WC增强Fe Co Ni Cr高熵合金复合涂层,梯度涂层成型质量较好,无裂纹等缺陷;交替涂层在熔覆过程中不断产生开裂声,成型质量较差。梯度涂层的微观组织呈梯度式分布,随WC含量增加,涂层内的含碳析出相逐渐增多;交替涂层的微观组织则呈交替式分布。梯度涂层各层之间结合界面清晰可见,结合情况良好。梯度涂层显微硬度同样呈梯度式分布,从基体至涂层表面,显微硬度不断升高。梯度涂层的耐磨损性能优于单层60%WC增强复合涂层;耐腐蚀性能较单层60%WC增强复合涂层略差,二者表面均产生点蚀。梯度涂层冲击韧性为75.8 J/cm~2,与激光熔覆H13、42Cr Mo等硬度相近的材料相比,具有较好的抗冲击性能,通过对冲击断口形貌分析,梯度涂层的冲击断裂机制包括韧性断裂与脆性断裂两种方式。
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