基于图像分析的高熵合金表面缺陷评价研究

2019-08-08

世界有色金属 2019年11期

（甘肃有色冶金职业技术学院，甘肃金昌 737100）

人们通常会按照使用材料的发展历史将人类社会分为新旧石器时代，青铜时代以及铁器时代、冷兵器时代、热兵器时代等几个阶段[1]。这是由于人们的一切劳动均离不开材料的使用，人们对材料应用的深度认识以及每一次使用程度均不同程度地影响着整个时代的发展进程。这当中，金属材料的出现和发展更成为人类文明的关键标志。但在以往的历史中，人们对金属材料的研发与应用均主要集中在以单一或两种金属材料作为基本元素，利用增添少量的微量元素去提升以及改善材料基体属性的合金结构。进入近代社会以后，世界各国的工业、商业运营方式均发生了重大的变化，并且更新换代的速度也在不断加快，传统合金的功能属性也越发无法满足现实生活生产工作的实际需求[2]。高熵合金由于自身较为简单的组成结构和优良的力学属性，使其受到了材料界的广泛注意。

1 低真空加热条件下高熵合金的表面形貌变化

高温环境下，合金表面形貌的改变对其表面缺陷的面积会产生很大的影响。所以，需要采取附带高温条件的研究级别的智能高清显微镜原位观察了CrCoNiMo0.5高熵合金在低真空匀速升温状况下表面形貌的改变加热体系的升温速率设置为35℃/min，开启前需要将设备内抽成真空状况，真空度设为小于5Pa。室温下CrCoNiMo0.5高熵合金的表面会分为两个不一样的区快，附有明显划痕的区快能够很快就被确定为质地比较柔软的FCC相，表面光滑的区快则是一种比较坚硬的金属化合物构造。当温度低于660℃的时候，CrCoNiMo0.5高熵合金的表面形貌是不会发生明显变化的。而当温度进一步升高的时候，CrCoNiMo0.5高熵合金就会逐渐开始发生一定程度的氧化。因而从理论上看，最早会发生氧化的区快有可能就是富含Cr的σ相，而富含Mo的μ相是最为稳定的，极不容易发生氧化情况。

根据实际经验所得，直至1000℃的时候依然会有零星分布的白色区块，可猜测其属于富含Mo的μ相，这块金属化合物相能够在高温环境下保持较长时间而不发生氧化反应。高熵效应具体指的是高熵合金设计的本质内涵，高熵合金结构中的混合熵必须远远超过传统合金结构，当合金结构中的元素类别足够多的时候，其结构内部的混合熵就有必要远远超过形成金属化合物的具体熵变。而高熵合金的多组元特征会让这种协同扩散很难大面积实现，并且因为其自身的严重晶格畸变情况会增大扩散能垒的可能性，大大阻碍原子发生化学转移运动，因而，原子在高熵合金中的扩散情况会比在传统合金内更难实现。

2 高熵合金的摩擦系数和高温软化性

在高熵合金的耐磨性上，材料学界主要研究了Co1.5CrFeNi1.5Ti与Al0.2Co1.5CrFeNi1.5Ti高熵合金的耐磨性，并和传统合金SUJ3、SKH03进行比较，对比发现Al0.2Co1.5CrFeNi1.5Ti高熵合金的耐磨性最好，其耐磨性相比于同等或类似硬度的传统耐磨钢SUJ3的4.12倍。而Al0.2Co1.5CrFeNi1.5Ti高熵合金的硬度则比传统合金SKH03要小300HV，可是其耐磨性却是SKH03的3.2倍。Co1.5CrFeNi1.5Ti、Al0.2Co1.5CrFeNi1.5Ti高熵合金优秀的耐磨损性主要归因于高熵合金优秀的抗氧化性以及耐高温软化性方面。

3 高熵合金抗氧化机理

TixAlCrNbV高熵合金的抗氧化机理由是因为其元素类别比较多且形式复杂多样，利用试品表面和截面形貌以及成分之间的特性具体能够归纳出以下几点：首先，TixAlCrNbV高熵合金的氧化层具备明显的分层特征，氧化层的黏着性比较好，最外部主要是以氧化钛为主，包含Cr、Nb等元素的氧化混合部位，次外部则是联系较为紧密的三氧化二铝，由于V元素的存在会造成五氧化二钒与三氧化二铝之间发生化学反应生成AlVO4，破坏了三氧化二铝的抗氧化能力，使氧原子继续扩散进入基体内，在氧化层和基体之间出现厚度比较大的扩散部位。TixAlCrNbV高熵合金氧化层的基本结构从外到内依次表现为：TiO2+Ti0.8Cr0.1Nb0.1O2+(Ti0.6Al0.2Nb0.2)O2、Al2O3+V2O5+AlVO4、扩散层、基体，见图1。

高熵合金中钛含量会严重影响到熵合金的氧化性。钛元素在熵合金结构中的化学比例会直接影响到熵合金氧化部的实际厚度。当钛元素对的含量比较少的时候，试品表面就不可能会产生足够多的二氧化钛去抑制氧气的大范围进入，而钛原子的持续消耗会继续增加铝元素的活性，从而形成了三氧化二铝氧化层，然而三氧化二铝氧化层在钒元素的毒害影响下，钒与氧之间会产生五氧化二钒，五氧化二钒极易挥发导致合金内出现空隙结构，进而又会和三氧化二铝之间产生化学反应生成AlVO4氧化物，使Ⅱ区富Al、V区变得稀疏多孔，所以氧原子在较少的二氧化钒的保护下可以较为轻松的进入Ⅲ区，从而降低其抗氧化性，使得熵合金表面缺陷扩大。