AlCoCrCuFeNix高熵合金涂层组织与性能研究及摩擦行为模拟

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材料的强度和硬度可以运用表面改性技术来极大程度的改善,使得材料的耐磨性都得以显著提升。高熵合金作为一种力学性能优异、功能特性独特的特殊材料,具有强度高、硬度高、耐磨性良好的特点,被广泛应用于相当多的领域。本文采用冷喷涂辅助原位合成的方法在45#钢上制备Al Co Cr Cu Fe Nix(x=0,0.5,1,1.5,2)高熵合金涂层,并对其组织的形貌和元素分布、相组成和力学性能等方面进行研究。在温度为300K、载荷为80n N和摩擦速度为0.1?/ps条件下,采用分子动力学模拟Al2O3小球摩擦高熵合金中Al Co相和Fe Cr相的过程,通过分析摩擦力、磨损量、粘附与脱附原子以及内部的位错结构来比较两种相对高熵合金涂层摩擦性能的影响。论文主要的研究结果如下:(1)AlCoCrCuFeNix高熵合金涂层组织主要由枝晶间和树枝晶构成。当0≤x≤0.5时,随着Ni含量的增加,BCC结构衍射峰强度逐渐增强,涂层组织中树枝晶二次枝晶间距变大,涂层组织结构的晶格应变ε随着原子尺寸差δ的增大而增大,这就导致了BCC相组织含量增加,FCC相含量减少;当0.5≤x≤2时,随着Ni含量的增加,涂层中BCC结构衍射峰强度逐渐减弱,FCC结构衍射峰强度逐渐增强,涂层组织中树枝晶二次枝晶间距变小,涂层组织结构的晶格应变ε随着原子尺寸差δ的减小而减小,这使得BCC相组织含量减少,FCC相组织含量增加;当0≤x≤0.5时,涂层中的枝晶组织为BCC相,枝晶间组织为FCC相;当0.5≤x≤2时,涂层中的枝晶组织由BCC相向FCC相转变,枝晶间组织由FCC相向BCC相转变。通过枝晶与枝晶间元素偏析比和面扫图可以看出,Ni含量的增加降低了Cu元素的偏析,同时也降低了各元素在枝晶与枝晶间的元素含量比;随着Ni含量的增加,合金涂层硬度先增大后减小,当x=0.5时,合金涂层硬度达到了最高,其值为534.7HV;合金涂层的摩擦系数随着Ni含量的增加先减小后增大,当x=0.5时,合金涂层摩擦系数最小,其值为0.38。涂层的磨损率呈现出先降低后升高的趋势,当x=0.5时达到最小,其值为4.37×10-5mm~3N-1mm-1。(2)分子动力学模拟结果显示,Al2O3摩擦高熵合金中Al Co相所受到的摩擦力大于Al2O3摩擦Fe Cr相所受到的摩擦力,在载荷相同的条件下,Al Co相的摩擦系数要大于Fe Cr相的摩擦系数。摩擦结束后,Al Co相的磨损量要明显大于Fe Cr相的磨损量。并且Al2O3和Al Co相在摩擦过程中,产生了粘附与脱附原子,导致粘附摩擦力的产生,使得总摩擦力上升,而在和Fe Cr相摩擦过程中,没有发现明显的粘附原子。在整个摩擦过程中,Al Co相内部产生了明显的位错结构,位错总长度随摩擦距离的增加持续增加,并且在摩擦的最终阶段产生了两种混合位错结构,但是在Fe Cr相的内部并没有发现位错结构。
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