AlxCoCrFeNi高熵合金表面激光重熔组织与性能研究

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AlxCoCrFeNi高熵合金具有优异的力学性能、耐腐蚀性能、耐磨性能及热稳定性而被广泛的研究,其制备方法主要为熔炼浇铸和粉末烧结。铸态AlxCoCrFeNi高熵合金的晶粒粗大、烧结态的孔隙较多,因此,降低了其耐磨性。为了提高AlxCoCrFeNi高熵合金的表面耐磨性,采用真空电弧熔炼和放电等离子烧结的方法制备了AlxCoCrFeNi高熵合金基体,再利用激光技术对其表面进行重熔。利用SEM、EDS、TEM和XRD等表征手段分析了激光重熔层的微观组织结构、力学性能及摩擦磨损性能。研究结果表明:铸态与烧结态Al0.7Co CrFeNi高熵合金表面激光重熔层的对比研究发现,铸态激光表面重熔Al0.7Co CrFeNi高熵合金能够显著减小晶粒尺寸,起到表面晶粒细化的作用。重熔层近表面区组织为细小的等轴晶,近熔合区组织为柱状晶,柱状晶的方向垂直于基底。烧结态激光表面重熔可以减小或消除基体中的孔隙,提高材料致密性。激光表面重熔Al0.7Co CrFeNi高熵合金能够起到细晶强化的作用,重熔层的硬度显著增大。铸态比烧结态基体的硬度高,二者重熔层的硬度亦是铸态略高于烧结态。激光表面重熔Al0.7Co CrFeNi高熵合金能够显著减小摩擦系数,降低磨损率,提高表面耐磨性。对不同Al含量的AlxCoCrFeNi高熵合金表面激光重熔层的研究发现,随着Al含量的增加,AlxCoCrFeNi高熵合金晶体结构发生从FCC转变为FCC+BCC再转变为BCC结构的演变。激光重熔Al0.3Co CrFeNi、Al0.7Co CrFeNi及Al1.0Co CrFeNi高熵合金表面层的晶粒尺寸分别约为6μm、5μm和4μm。随着Al含量的增高,AlxCoCrFeNi高熵合金表面重熔层的晶粒尺寸减小。激光重熔AlxCoCrFeNi高熵合金表面层的BCC相对量均高于其基体,说明激光重熔有利于促进AlxCoCrFeNi高熵合金BCC相的形成。随着Al含量增大,激光重熔AlxCoCrFeNi高熵合金表面层的硬度增大,其摩擦系数和磨损率均随之降低,表面耐磨性随之提高。激光重熔AlxCoCrFeNi高熵合金表面层氮化物的析出演变及耐磨性能研究发现,激光重熔通入氮气保护,重熔层中会生成Al N相分布于晶界处,随着Al含量的增大,AlxCoCrFeNi高熵合金重熔层中Al N相的相对量随之增多,且分布密集程度随之增大。氮气的热容及热导率较大,氮气保护下的熔池冷却速率更快,AlxCoCrFeNi高熵合金凝固速率增大,促进了重熔层中BCC相的形成。因此,N气比Ar气保护时,激光重熔AlxCoCrFeNi高熵合金表面层中的BCC相的相对量较多,加之Al N相的形成,表面硬度更大,因此,摩擦系数和磨损率更低,表面耐磨性更好。
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