激光重熔作用下AlCoCrFeNi(Nb/Ta)x系高熵合金微观结构及性能研究

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高熵合金(High entropy alloys)由于其特殊的体系构成所拥有的诸如高强度、优异的耐高温氧化性能及耐蚀耐摩擦性能等,成为了金属研究领域的新宠,然而块体高熵合金由于制备易存在缺陷、元素偏析严重等问题,故高熵合金的表面改性及涂层的制备逐渐成为研究热点。激光重熔技术(Laser Remelting)是一种简单易行,效果明显的激光表面改性手段,其所得到的致密均匀的重熔层将有效减少块体合金的表面缺陷并有效提高合金的表面性能,从而达到表面强化的目的。本课题将利用激光重熔技术对真空电弧熔炼法制备的具有简单固溶体的Al Co Cr Fe Ni(Nb/Ta)x系高熵合金组织结构进行调控,对难熔元素的添加及激光重熔技术对合金相组成、微观形貌及元素分布进行研究,并通过相关手段对改性前后合金的硬度、耐磨性及耐蚀性等性能进行研究,建立工艺-结构-性能三者之间的联系。研究发现,原始Al Co Cr Fe Ni合金具有简单BCC+B2相并存在元素偏聚现象,Nb、Ta元素添加所产生的Laves相主要存在晶界及枝晶间,与BCC相交替生长为层片状共晶组织,在Nb1合金中分布于晶界处,而Ta1合金中的Laves相主要以点棒状存在于枝晶间。Nb5及Ta3合金形貌相似,但Nb5合金中Laves相数量更多,晶粒尺寸更小。而在激光重熔后,XRD及扫描图片显示合金相组成并未发生改变,但晶粒得到明显细化,元素偏聚现象得到了一定缓解。材料表层形成了一层1200μm-1600μm厚的致密重熔层,重熔层厚度随Nb、Ta含量上升而增加。但由于难熔元素的引入所引起的严重晶格畸变,合金脆性上升导致难熔元素添加量最多的Nb5合金在激光重熔之后出现了微裂纹,这对重熔层性能的影响无疑是致命的。难熔元素Nb、Ta的添加不同程度上提升了Al Co Cr Fe Ni高熵合金的硬度及耐摩擦磨损性能,其中Nb5及Ta3达到了各自体系中铸态合金的最高硬度及耐磨性能,这主要是由于Nb、Ta原子所引起的固溶强化及生成Laves相对位错运动的阻碍作用所致。而合金耐蚀性能随Nb元素的加入呈先增后减的趋势,Nb5合金耐蚀性甚至不如原始Al Co Cr Fe Ni高熵合金。Ta元素加入后合金耐蚀性能上升,但添加量为0.3时合金耐蚀性能的提升幅度明显下降,主要原因是大量Laves相与基体存在电位差而形成微电池产生电偶腐蚀,同时元素偏聚现象导致枝晶B2相中Al元素被溶解而造成选择性腐蚀。Ta1合金耐蚀性能较Nb1性能更优,这主要是Ta2O5钝化膜稳定性较Nb2O5氧化膜更加稳定,而对基体保护性更佳。激光重熔处理后,晶粒的细化及重熔层中可能存在的高密度缺陷结构共同影响使得所有体系合金的硬度及耐磨性能获得了不同程度的增加。除激光重熔处理后的Nb5合金外,所有体系合金耐蚀性能均得到了提升,激光重熔所获得的致密重熔层使合金表面在腐蚀溶液中获得了更佳致密连续的氧化膜,并且得益于元素偏聚情况的缓解,稳定Cr2O3、Nb2O5、Ta2O5钝化膜分布更为均匀,对基体保护作用明显提升。
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