Si含量对氩弧熔覆AlCuFeNiCoSix高熵合金涂层组织及性能的影响

2022-12-07时海芳

材料保护 2022年5期

时海芳，李强，刘忆

(1. 辽宁工程技术大学材料科学与工程学院，辽宁阜新 123000； 2. 徐州工程学院机电工程学院，江苏徐州 221000)

0 前言

高熵合金是合金发展中一种新引入的合金材料，由于其独特的相结构和优异的性能[1-3]而备受关注，高熵合金以5～13种不同的元素以相等或近似相等的原子比混合[4,5]，因此导致了高熵合金的高混合熵，原子随机占位导致了晶格畸变加剧，进而影响了原子的扩散，抑制了相分离的产生，形成了BBC[6]和FCC[7]的相结构；另外其独特的鸡尾酒效应[8]扩大了合金研究范围，通过适当成分设计可得到性能更优异的合金材料。

高熵合金涂层是高熵合金领域分支，高熵合金涂层的制备比高熵合金更简单方便，最常用的有激光熔覆[9-11]和磁控溅射技术[12,13]。激光熔覆易出现气孔和开裂；磁控溅射技术制备涂层较薄，应用范围小。这两者都不适用于大规模生产。氩弧熔覆技术[14]是近些年来发展起来的，具有能量集中、操作简单和焊接速度快等特点。

Al，Cu，Fe，Ni，Co元素都是单一的BCC与FCC结构，之间的混合焓较小，易形成固溶体结构。目前大量研究都是探究金属元素对高熵合金组织性能的影响，连世海[15]探究了Al和Cu含量对AlCuFeCoNi系高熵合金组织性能的影响，发现适量的Al和Cu提高了高熵合金的硬度与拉伸性。已有研究表明[16]，晶格畸变能提高高熵合金的硬度和耐磨性，而与Cu，Fe，Ni，Co元素相比，Si原子半径较大，加入后可能对晶格畸变造成影响，但非金属元素对高熵合金组织性能影响的研究很少。为此，本工作以AlCuFeNiCo系作为高熵合金涂层的基础，采用氩弧熔覆在Q235钢上制备AlCuFeNiCoSix高熵合金涂层，探究Si含量对高熵合金涂层组织与性能的影响。

1 试验

选用99.9%、粒度200目的元素粉末，按照摩尔比Al∶Fe∶Co∶Cu∶Ni∶Si=1∶1∶1∶1∶1∶x(x=0，0.25，0.50，0.75，1.00)比例配制高熵合金熔覆材料。熔覆基体选用Q235钢，除去氧化膜并用酒精擦干净烘干。粉末用研钵混合均匀后加入适量的硅酸钠再混合后，倒入自制模具中，用WE - 30万能试验机在120 kN的压力下把粉末压成长10.0 cm、宽2.5 cm、厚0.4 cm的熔覆块，在120 ℃烘2 h，放在处理好的基体上。使用WS - 500型交流脉冲钨极氩弧焊机进行单道熔覆，根据前期试验，工艺参数设定为：电流150 A、氩气流量8 L/min、熔覆速度2.5 mm/s。使用HRSS - 150数显洛氏硬度计测试合金涂层表面硬度，任取5点取平均值。使用电火花切割机切割合适尺寸试样，用HV - 50维氏硬度计测试样截面硬度，载荷为50 N，保压时间为10 s。使用RD - 6100型X射线衍射仪(XRD)测试材料物相，Cu靶Kα辐射，扫描步长0.04°，扫描速度10 (°)/min。用ML - 100型磨料磨损试验机测试高熵合金耐磨性能，载荷45 N，使用80目砂纸作为摩擦面，试验时间25 min。使用JSM - 7500F型扫描电镜(SEM)观察试样组织。

2 结果与讨论

2.1 组织结构

图1为不同成分熔覆涂层的XRD谱，图2为涂层中部显微形貌。涂层并没有出现复杂相结构，均是由BCC和FCC结构相组成，2种相结构所占的比例随着Si元素的量的改变发生着变化。未添加Si时，涂层中(111)峰值很低，(110)峰值很高，说明涂层的主要组织结构由BCC构成。随着硅含量的加入，(111)峰的衍射强度会不断增加，(110)峰的衍射强度先减小后增加再减小，因为Si的原子半径相对较大，固溶到固溶体中加剧晶格畸变，漫反射效应加强，减弱了(110)峰的衍射强度，当x=0.75时，BCC衍射峰又超过FCC衍射峰成为主相，这是因为适量的Si固溶其中，使得晶格完整度提高，同时Si是BCC促进元素[17]，使得(110)衍射峰强度提高。当x=1.00时，(111)峰值又超过(110)峰，主要原因是Si含量的继续增加，Si进一步取代其他原子固溶晶格中，造成晶格畸变加剧，漫反射进一步减弱峰值强度。

从图2可以看出当x=0时，组织以等轴晶为主，晶粒尺寸大，排列紧凑，原因是高熵合金的迟滞扩散效应，给晶粒生长提供了时间。当x=0.25时，组织出现了枝晶生长，并且组织间有夹杂着其他组织，对照XRD谱可以确定是新生成的FCC相结构，因为Si原子半径较大，在冷却过程中由于与其他元素的排斥聚集在组织间形成的FCC结构。当x=0.50时，组织明显为枝晶组织，但由于枝晶间的Si含量聚集对枝晶的生长产生抑制作用，使得一次枝晶较为粗大。当Si含量达到0.75时，大量Si的加入降低了熔化液的流动性，稀释率增加，合金成核率增加，生长缓慢，造成组织密而且不均匀生长，组织更加细小，保证了合金性能。

2.2 硬度

图3是高熵合金涂层的表面硬度。

由图3发现随着Si含量的增加，合金涂层表面的硬度先降低后升高，然后又降低。AlCuFeNiCoSi0.75涂层的硬度最大，达到62.5 HRC。当Si含量低于0.50时，Si的加入使得组织紧密性降低，FCC结构占比增多，FCC结构硬度不如BCC，因此加入Si后合金涂层的硬度减小。继续增加Si含量，合金涂层组织变小紧密，大原子Si固溶于晶格中，加剧晶格畸变，所产生的应力场与运动位错相互作用，使得位错阻力增大，涂层硬度增大。当Si含量等于1.00时，晶格畸变过高造成晶格的紧密性，硬度又开始降低。

图4是不同Si含量高熵合金截面硬度。从图可以得出x=0，0.25，0.50，0.75，1.00的合金的平均硬度为725.75，672.75，559.50，760.50，658.25 HV50 N。由图可知：截面硬度由熔覆区向热影响区再向基体降低，虽然各涂层的硬度不同，但降低的趋势是一样的，x=0.75高熵合金涂层的硬度是基体的4.75倍，说明了高熵合金高硬度的特点。如果再增加Si含量，合金的硬度有所降低，说明高熵合金的“鸡尾酒”效应，合金的性能是各元素间相互作用的复合效应，不是简单的加和。由图4可以看出过渡区硬度在基体和涂层之间，说明氩弧熔覆能够保证涂层与基体良好的冶金结合，保证涂层的使用性。

2.3 耐磨损性能

图5是高熵合金涂层在相同摩擦环境下磨损量柱状图。

根据对比，当x=0.75时合金的磨损量最低，说明耐磨性最佳，相比于不添加Si的涂层，耐磨性提高了26.3%。耐磨性的变化与硬度相对应，硬度高，耐磨性相对较好。

图6是不同Si含量高熵合金磨损后的SEM形貌。可见，随着Si的加入(x<0.50)，磨损面的沟槽变宽变深，沟槽内有凹陷结构，说明此时磨损机制是黏着磨损，当Si含量达到0.75时，无论从沟槽深度还是磨损颗粒方面来看都是在降低的，说明Si0.75高熵合金涂层的耐磨性是最好的，沟壑是比较平滑的，是因为磨粒压入进行的切削磨损，此时磨损机制为磨粒磨损机制。