论文部分内容阅读
本课题采用脉冲激光熔覆技术成功地在高纯Ti板材表面制备出了冶金结合良好的六种Co Cr Fe Ni Ti Nbx系中/高熵合金涂层。联合运用X射线衍射（X-ray diffraction,XRD）、电子背散射衍射（Electron back-scattered diffraction,EBSD）、电子通道衬度（Electron channel contrast,ECC）、能谱分析（Energy dispersive spectroscopy,EDS）以及二次电子像等多种分析测试技术对不同成分涂层的相组成和微观组织进行系统的表征,深入分析其形成的微观机理。此外,再通过显微硬度测试和摩擦磨损实验,研究其硬度及耐磨性能,并基于微观组织特征深入分析了表面性能变化的原因。主要研究结论如下:（1）受脉冲激光熔覆高冷却速率的影响,Co Ni Ti三元涂层样品在非平衡凝固过程中依次形成了熔覆区、结合区和热影响区三种微观结构明显不同的区域。熔覆区主要形成了枝晶（体心立方固溶相）-枝晶间（Ti2Ni金属间化合物）形貌的组织结构,同时枝晶间组织中形成了大量的Ti2Co纳米颗粒;结合区主要由马氏体相变产生的细小针状晶组成;靠近基体的热影响区则由形状不规则的块状晶组成。而Cr Ni Ti三元涂层则形成了细小的胞状晶结构（平均晶粒尺寸0.91±0.67μm）,它们属于体心立方固溶相;胞状晶内部还存在形状不规则的C14型Cr2Ti Laves相,而晶间析出了Ni Ti沉淀相。Co Ni Ti涂层的平均硬度为571±46 HV,约为纯Ti基体的5倍;Cr Ni Ti涂层的平均硬度为940±35 HV,约为纯Ti基体的8倍。Co Ni Ti和Cr Ni Ti涂层的磨损率分别为1.7×10-5 mm3·N-1·m-1和7.4×10-5 mm3·N-1·m-1,均远低于纯Ti基体的磨损率(6.3×10-4 mm3·N-1·m-1)。Co Ni Ti涂层的的磨损机理主要为粘着磨损,并伴有氧化磨损;而Cr Ni Ti涂层的磨损机理主要为氧化磨损,并伴有磨粒磨损。微观组织特征的细致分析显示,这种较高的硬度和较好的耐磨损性能可归因于涂层中体心立方相的固溶强化、Ti2Ni金属间化合物和Ti2Co纳米颗粒以及Ni Ti沉淀相和Cr2Ti Laves相产生的第二相强化的共同作用。（2）在高熵效应的作用下,CoCrNiTi和Cr Fe Ni Ti四元涂层都形成了体心立方简单固溶相。此外,在熔覆过程中,由于激光快速冷却的特性,熔池中的晶粒来不及长大,这在一定程度上细化了晶粒;同时各元素没有充分的时间进行扩散,造成了一定程度的元素偏析和第二相的形成,因此晶间组织主要形成了Cr2Ti Laves相（C14型）。CoCrNiTi涂层的显微硬度约为762±32 HV,磨损率为1.7×10-5 mm3·N-1·m-1,Cr Fe Ni Ti涂层的显微硬度约为820±34 HV,磨损率为2.8×10-5 mm3·N-1·m-1,二者的磨损机理均主要为粘着磨损,并伴有氧化磨损,综合分析,显微硬度和耐磨性能得到明显提升可归因于涂层中体心立方相的固溶强化、细晶强化以及金属间化合物Cr2Ti Laves相产生的第二相强化的共同作用。（3）Co Cr Fe Ni Ti五元涂层主要由体心立方固溶相（块状等轴晶）和具有C14型六方结构的Cr2Ti Laves相（枝晶间片层状组织）组成。当添加1 at.%的Nb元素后,涂层中的体心立方固溶相仍具有块状等轴晶形貌,而细小片层状结构的枝晶间组织进一步转变为块状形貌组织。晶间除Cr2Ti Laves相外,还出现了C15型立方结构的Cr2Nb Laves相。涂层的硬度远高于纯Ti基体,其中Co Cr Fe Ni Ti涂层的硬度约790±52 HV,是基体的6.6;添加1 at.%的Nb元素后,Co Cr Fe Ni Ti Nb1涂层的硬度进一步提升至1008±56 HV,高达基体的8.3倍。此外,Co Cr Fe Ni Ti和Co Cr Fe Ni Ti Nb1涂层的磨损率分别仅为1.0×10-5 mm3·N-1·m-1和0.6×10-5 mm3·N-1·m-1,均远低于纯Ti基体。Co Cr Fe Ni Ti和Co Cr Fe Ni Ti Nb1涂层的磨损机理均为氧化磨损。综合分析后得知,本研究中制备出的涂层受固溶强化、第二相强化、细晶强化以及细小片层状共晶组织的共同作用,表现出了较高的硬度和较好的耐磨损性能。（4）最终结果表明,在微观组织方面,六种涂层都以体心立方固溶相为主,且形成了一些金属间化合物,这其中,Ti元素有助于体心立方相的形成,Nb元素有助于片层状结构的形成;在性能方面,Co Cr Fe Ni Ti Nb1涂层的硬度值最大（高达1008 HV）,同时其磨损率也最低,比纯Ti基体低了近两个数量级。由此可以看出,通过挑选合适恰当的元素并辅以合理的加工参数后,能够采用激光熔覆技术在纯Ti表面成功地制备出高性能高熵合金涂层。