110 / 2021-04-02 14:08:19

激光熔覆AlCoCrFeNi系高熵合金多尺度耦合结构涂层摩擦磨损性能

激光熔覆；高熵合金；耦合结构；多尺度效应；摩擦磨损

采用激光再制造技术，对损伤的矿山机械关键零部件进行修复，具有巨大的经济效益。采用激光熔覆再制造技术在损伤零件上制备冶金结合的高性能涂层是完成修复的关键环节。设计和制备强韧、耐磨的合金涂层，以提高和延长再制造零件的使用寿命，对提高作业效率、降低能耗及成本具有重要的意义。本文利用AlCoCrFeNi系高熵合金制备微纳尺度精细结构和宏观尺度织构结构，以期通过跨尺度结构效应协同提高合金层的强度、韧性、硬度及耐磨性。

通过分别掺杂Ti元素和Si元素制备了具有微纳尺度的块状、球状层叠结构的高熵合金涂层。AlCoCrFeNiTix高熵合金涂层由Fe-Cr固溶体相、AlNi金属间相以及原位自生TiC颗粒相组成。涂层由等轴晶构成，晶粒内存在由Fe-Cr无序固溶体相和AlNi有序金属间相构成的调幅分解组织，两相呈完全共格关系。此外，随着Ti原子浓度的提高，涂层中原位自生TiC颗粒增强相的体积分数逐渐增大，涂层的平均显微硬度从640 HV_0.3提高到860 HV_0.3。涂层内存在细晶强化、固溶强化、第二相强化和弥散强化多种强化机制。高熵合金涂层的耐磨性测试结果表明，Ti原子的引入能够明显提高涂层在室温（25 ºC）和高温（600 ºC）下的耐磨性。 AlCoCrFeNiSix高熵合金涂层的相结构由无序的体心立方（BCC）Fe-Cr相和有序的体心立方（BCC）AlNi纳米相组成。Si原子的引入导致涂层产生晶格应变。由于AlCoCrFeNiSix₂合金体系中Si的原子尺寸较小，涂层的晶格常数随着Si元素含量的升高而逐渐减小。涂层的显微硬度随着Si元素含量的升高而逐渐增大。当Si元素的含量为0.5时，高熵合金涂层的硬度达到最大值，其平均硬度为821.5 HV_0.3。这主要是由于随着Si元素的增加，涂层的固溶强化、位错强化和细晶强化效应明显增强，其中位错强化对涂层硬度提高的贡献最大。在摩擦磨损过程中，高Si含量的涂层会生成具有润滑作用的SiO₂和SiO的氧化膜，这极大的提高了涂层的摩擦磨损性能。

通过激光熔覆技术制备具有宏观软硬相间、微观层叠结构的AlCoCrFeNiSix高熵合金织构涂层。软质单元与硬质单元之间呈良好的冶金结合，无孔隙率、气泡和裂纹等缺陷。研究了硬质单元材料及分布间距对表面织构涂层摩擦磨损性能的影响。在硬质单元的分布间距一定时（2.5 mm），表面织构涂层的耐磨性与减摩性与硬质单元中Si元素的含量程正相关。在硬质单元的材料一定时（Si_0.5），表面织构涂层的耐磨性与硬质单元的分布间距程负相关，而减摩性与硬质层的分布间距程正相关。