激光熔覆高熵合金涂层的制备及其性能的研究

论文摘要

高熵合金由于具有优异的性能而受到广泛的关注和研究,但高熵合金的组成元素大多比较昂贵,如Co、Cr和Ni,制备块体高熵合金成本偏高。因此,在低价的钢基体上制备高熵合金涂层对于拓展高熵合金的实际应用具有很大价值。根据高熵合金设计理论和传统激光熔覆Ni基合金涂层的研究经验,本文采用C02激光器制备FeCoCrNiB和FeCoCrNiCu高熵合金涂层及其WC颗粒复合涂层。利用金相显微镜,扫描电镜和X射线衍射仪分析高熵合金涂层的微观组织结构,利用显微硬度计和摩擦磨损试验机分别测定涂层的硬度和耐磨性能。探索WC颗粒对高熵合金涂层组织结构及性能的影响规律,研究高温退火对FeCoCrNiB涂层组织结构及性能的影响规律。主要结果如下：当激光功率为1.6KW,扫描速度为150mm/min,光斑直径为4mm,搭接率为50%时,可制备得到表面较平整光亮、成形质量较好、稀释率合适且硬度较高的高熵合金涂层。FeCoCrNiB熔覆层底部由颗粒状组织和基体组织组成。随着离界面距离的增加,颗粒状组织向条状组织转变,条状组织为FeCoCrNiB涂层的典型显微组织,涂层由条状M3B相和基体fcc相两相组成。随着高温退火温度的提高, FeCoCrNiB涂层中M3B相含量提高,fcc相含量降低,但相组成未发生改变。900℃和1000℃退火后,涂层中析出颗粒状和短棒状的M3B相。1150℃退火后,涂层中形成粗大的块状M3B相,其硬度达1188HV。涂层具有良好的耐高温软化性能,1150℃退火后涂层耐磨性能最佳,900℃和1000℃退火后硬度仅下降约7%和9%,对应的耐磨性能亦下降较少。当添加5%WC颗粒时,FeCoCrNiB涂层中出现M3C相和fcc相组成的共晶组织,涂层由M3B相、M3C相和fcc相共同组成。WC含量为10%时,涂层组织发生较大变化,为枝晶组织,其中枝晶对应M23(C,B)6相,枝晶间由细密的网状M7(C,B)3相和fcc相组成。当WC含量为20%时,网状M7(C,B)3相消失,涂层仍为枝晶组织,由M23(C,B)6相和fcc相组成。随着WC含量的提高,涂层的硬度和耐磨性能不断提高。不同WC含量的FeCoCrNiCu涂层均由简单的fcc结构固溶体相和bcc结构固溶体相组成,WC颗粒的加入并未引起复杂碳化物相的生成,WC颗粒完全溶入fcc相和bcc相中。随着WC含量提高,涂层中bcc相含量不断增加,fcc相含量不断减少。随着WC含量的提高,枝晶不断细化,硬度和耐磨性能不断提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 高熵合金概述
• 1.1.1 高熵合金定义与多主元效应
• 1.2 高熵合金的组织结构
• 1.2.1 简单固溶体组织
• 1.2.2 包含化合物相的多相组织
• 1.2.3 非晶态组织和纳米相
• 1.3 高熵合金的性能与应用
• 1.3.1 高硬度与高强度
• 1.3.2 耐磨性能
• 1.3.3 耐腐蚀性能
• 1.3.4 热稳定性和抗高温氧化性能
• 1.3.5 其他性能
• 1.3.6 高熵合金的应用
• 1.4 高熵合金涂层的制备
• 1.4.1 电化学沉积法
• 1.4.2 磁控溅射法
• 1.4.3 热喷涂法
• 1.4.4 激光熔覆法
• 1.5 激光熔覆技术
• 1.5.1 激光熔覆基本原理及特点
• 1.5.2 激光熔覆材料的选择
• 1.5.3 激光熔覆工艺方法
• 1.6 激光熔覆高熵合金涂层的研究进展
• 1.7 课题研究意义及研究内容
• 第二章 实验方法
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 基体材料
• 2.1.2 高熵合金涂层材料
• 2.2 激光熔覆高熵合金涂层的制备
• 2.3 高熵合金涂层的热处理
• 2.4 涂层的组织结构和成分分析
• 2.4.1 晶体结构分析
• 2.4.2 涂层的显微组织观察
• 2.4.3 涂层的成分分析
• 2.5 涂层的性能测试
• 2.5.1 显微硬度测试
• 2.5.2 涂层的耐磨性能测试
• 第三章 高熵合金涂层的制备
• 3.1 激光工艺参数对涂层表观质量的影响
• 3.2 激光工艺参数对涂层硬度的影响
• 第四章 FeCoCrNiB高熵合金涂层的组织结构
• 4.1 引言
• 4.2 FeCoCrNiB涂层凝固特点
• 4.3 FeCoCrNiB涂层组织结构
• 4.4 本章小结
• 第五章 高温退火对FeCoCrNiB高熵合金涂层组织结构及性能的影响
• 5.1 引言
• 5.2 退火温度的选择
• 5.3 退火对涂层相组成的影响
• 5.4 退火对涂层显微组织的影响
• 5.5 退火对涂层硬度的影响
• 5.6 退火对涂层耐磨性能的影响
• 5.7 本章小结
• 第六章 添加WC颗粒对FeCoCrNiB高熵合金涂层组织结构及性能的影响
• 6.1 引言
• 6.2 WC含量对熔覆层组成相的影响
• 6.3 WC含量对熔覆层显微组织的影响
• 6.4 WC含量对熔覆层硬度和耐磨性能的影响
• 6.5 本章小结
• 第七章 添加WC颗粒对FeCoCrNiCu高熵合金涂层组织结构及性能的影响
• 7.1 引言
• 7.2 FeCoCrNiCu高熵合金涂层的显微组织
• 7.3 WC含量对FeCoCrNiCu涂层相组成的影响
• 7.4 WC含量对FeCoCrNiCu涂层显微组织的影响
• 7.5 WC含量对FeCoCrNiCu涂层硬度的影响
• 7.6 WC含量对FeCoCrNiCu涂层耐磨性能的影响
• 7.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 在读期间已发表和录用的论文