304不锈钢激光熔覆FeCoCrNi系高熵合金涂层的组织及性能

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高熵合金作为近年来研究者关注的新型合金体系,在目前的研究中,其多组元、高混合熵的特点使其在机械性能、耐蚀性能、铁磁性等方面均有较为优异的表现。但是对于其主流的研究上依然以块体结构材料的方式进行制备与应用,在增材制造技术飞速发展的当下,涂层这种形式的制备工艺与新材料的开发依然具有极大的潜力。在本次工作中,选取了 FeCoCrNi高熵合金体系作为基础,通过向其中分别添加 Cu、Si 两种元素,制备了 FeCoCrNi、FeCoCrNiCu0.5、FeCoCrNiCu、FeCoCrNiSi0.5、FeCoCrNiSi五种混合粉末体系,并利用激光熔覆的制备方法在304不锈钢表面熔覆成型。利用XRD、SEM、EDS等分析测试手段对涂层微观形貌与组织演变进行了详细的分析,在性能上,本文主要针对表面宽温域下的摩擦学性能及盐环境耐蚀性能。进一步地,通过表征磨损面加工硬化情况、表面损伤形貌及亚表面影响区特征,以深入研究涂层表面磨损过程及行为机制。以下为主要结论:(1)在组织物相上,添加Cu\Si两种元素后涂层的形成了单一 FCC型固溶体,在晶粒生长方式上呈现平面晶-枝晶-胞晶的过渡,且由于激光熔覆高过冷度、元素间物化特征差异等因素,存在Cu、Si、Ni元素的偏析。(2)对于FeCoCrNiCux体系,在摩擦学性能上,在常温下,各涂层摩擦系数相近,均为0.65左右。但FeCoCrNiCu具有最低的磨损率,为 1.49×10-4 mm3/N·m,其主要磨损机制为黏着磨损与轻微磨粒磨损。而在高温下,涂层减摩性与耐磨性均得到大幅提升,且摩擦系数随Cu含量升高而逐渐降低,FeCoCrNiCu的综合摩擦学性能最好,其摩擦系数为0.236 41,磨损率仅为1.58×10-4 mm3/N·m,相比于 FeCoCrNi 涂层分别降低了 56.19%及 56.11%,其磨损影响区表现为硬质氧化物磨屑与韧性合金材料的机械结合,使其获得了较好的表面强度与抗磨粒磨损能力,其主要磨损机制为轻微磨粒磨损与氧化磨损。(3)对于FeCoCrNiSix体系,在摩擦学性能上,常温下,FeCoCrNiSi涂层表现出较为优异的耐磨性能,其磨损率为1.23×10-4 mm3/N·m,其原因为表面较高的加工硬化及硬质相结合力。在高温环境下,涂层的摩擦学性能同样得到较大的提升,其中FeCoCrNiSi涂层的摩擦系数为0.192 35,磨损率为0.677×10-4 mm3/N·m,且保持了较好的稳定性,其摩擦曲线标准差(SD)仅为0.011 91。此时,在Si元素对氧化的促进及表面硬质相增多的共同作用下,涂层表层主要由磨粒磨损形成的氧化膜磨屑堆积形成稳定自润滑磨损面,而内部则仅仅受到剪切力引起的塑性变形,主要磨损机制为氧化磨损及磨粒磨损。(4)在耐蚀性表现上,FeCoCrNi涂层由于Cr元素在晶界处偏析的特性具有极好的耐蚀性能,添加Cu/Si两种元素耐蚀性由于熔池中Cr、Ni元素的稀释及氧化物钝化膜上点蚀缺陷增多,增多了离子扩散通道,使涂层耐蚀性降低。
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