分享：VC添加量对激光熔覆Fe50Mn30Cr10Co10 高熵合金涂层组织和性能的影响

聂辉文1,曾松盛2,聂俊红1,赖春明1

 (1.湖南化工职业技术学院,株洲410012;2.华菱安赛乐米塔尔汽车板有限公司,娄底417009) 

摘 要:采用激光熔覆工艺在 Q235钢板表面制备Fe50-xMn30Cr10Co10(VC)x(x=0,1,3,原子 分数/%)高熵合金涂层,研究了 VC添加量对涂层微观形貌、物相组成、硬度、耐磨性能和耐腐蚀性 能的影响。结果表明:3种 VC添加量的高熵合金涂层与基体均结合良好,涂层中仅存在较少的孔 洞等缺陷,其物相均为面心立方结构的固溶相;随着 VC添加量的增加,高熵合金涂层的组织发生 细化,显微硬度增大;VC的添加能同时提高Fe50Mn30Cr10Co10 高熵合金涂层的耐磨性能和耐腐蚀 性能,并且 VC添加量越多,耐磨性能和耐腐蚀性能越好。 

关键词:Fe50Mn30Cr10Co10 高熵合金;涂层;VC添加量;耐磨性能;耐腐蚀性能 中图分类号:TG174.3 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2023)04-0007-05 

0 引 言

 通常金属材料都要通过表面强化处理来提高其 耐磨性能和耐腐蚀性能等,从而提高其服役寿命。 目前,金属材料的表面强化技术有激光熔覆、等离子 熔覆、磁控溅射、等离子热喷涂、电化学沉积、钨极气 体保护弧焊等多种,其中激光熔覆技术具有熔覆层 厚度范围大、能制备厚涂层、能与基体实现冶金结合 以及熔覆材料不受限制等诸多优点[1-4],得到了广泛 应用。 多主元高熵合金突破了传统合金材料以单一元 素为主要成分再添加其他微量元素的设计限制,是 一种基于等物质的量比和非等物质的量比、高混合 7 聂辉文,等:VC添加量对激光熔覆Fe50Mn30Cr10Co10 高熵合金涂层组织和性能的影响 熵的理念设计的新型材料,因具有简单的固溶相结 构、高强度、高硬度以及优异的耐磨性、耐腐蚀性、热 稳定性和耐回火软化特性等优点,近年来成为国内 外研究热点[5-7]。Fe50Mn30Cr10Co10 高熵合金因能 产生应变诱导相变效应而具有优异的塑韧性能[8-9], 具有很好的工程应用前景和价值,但是已有研究发 现其耐硬质颗粒冲刷磨损的性能相对较差,有待于 通过成分改进和工艺优化来进一步提升。VC陶瓷 颗粒作为一种硬质增强相,熔点高达2810℃,常被 添加到高铬铸铁、铸钢、中高碳钢等材料中来同时提 高材料的强度和耐磨性能,但是添加硬质相往往会 对耐腐蚀性能产生不良影响。目前,采用激光熔覆 工艺制备 VC陶瓷颗粒增强Fe50Mn30Cr10Co10 高熵 合金涂层及 VC陶瓷颗粒对涂层性能影响的研究尚 未见报道[10]。为此,作者采用激光熔覆工艺在 Q235 钢板表面制备了VC陶瓷颗粒增强Fe50Mn30Cr10Co10 高熵合金涂层,研究了VC添加量对涂层耐磨性能和 耐腐蚀性能的影响。

 1 试样制备与试验方法

 激光 熔 覆 用 粉 末 为 气 雾 化 法 制 备 的 商 用 Fe50Mn30Cr10Co10 高熵合金粉末和VC陶瓷粉末,2种 粉末的粒径均在45~100μm,大部分粉末为球形颗粒, 少量为类球形颗粒,如图1所示。基体材料为工业上 常用 的 Q235 钢 板,基 体 试 样 尺 寸 为 100 mm× 100mm×10mm。将基体试样用金相研磨机和砂 纸进行水磨,抛光,再用丙酮和无水乙醇进行超声波 清洗,待用。 图1 原料粉末的微观形貌 Fig 1 Micromorphologyofrawpowders a Fe50Mn30Cr10Co10 high-entropyalloypowderand b VCceramicpowder 按照Fe50-xMn30Cr10Co10(VC)x(x=0,1,3,原 子分数/%,下同)称取 Fe50Mn30Cr10Co10 高熵合金 粉末和 VC陶瓷粉末,在 MITR-YXQM-0.4L型行 星式球磨机中进行真空球磨处理,氩气气氛,分散介 质为乙醇,磨球为硬质合金球,大球直径5mm,小 球直径3 mm,球料质量比为10∶1,球磨转速为 120r·min-1,球磨时间为2h;球磨后的混合粉末在 160℃下干燥20h。制备得到混合粉末的微观形貌 如图2所示,可见球磨后的颗粒仍保持了球形。 图2 混合粉末的微观形貌 Fig 2 Micromorphologyofmixingpower 采用 HWL-1500型三维数控平台和 HW-02SF 型送粉器组建激光熔覆设备,在基体试样上制备 Fe50-xMn30Cr10Co10(VC)x 高熵合金涂层。采用不 同激光参数下的单道熔覆工艺,通过对比确定最优 的激光参数如下:激光功率为4.2kW,光斑直径为 3mm,扫描速度为10mm·s-1。为了保证熔覆层 质量,基体试样预热至200 ℃并采用流量为5L· min-1的高纯氩气作为保护气体进行同轴送粉。 采用EM30PLUS型扫描电子显微镜(SEM)观 察高熵合金涂层的表面和横截面形貌,用附带的 IE250X-Max50型能谱仪(EDS)进行元素面分析。 采用 D/max-2500型 X 射线衍射仪(XRD)对高熵 合金涂层进行物相分析。采用 HVS-1000A型显微 硬度计测试高熵合金涂层的显微硬度,在横截面上 从涂层表面至基体、每隔0.25mm 距离取点测试, 载荷为2N,保载时间为15s。 使用 MDL-300Type型针盘式磨损测试仪进行 两点式磨损试验,采用180# Al2O3 砂纸,探针移动 速度为3mm·r-1,圆盘旋转速度为45r·min-1,磨 损距离为4.978m。使用 ME104E型电子天平称量 磨损前后的试样质量,多次试验后取磨损前后质量 差值的平均值作为磨损量。 使用RST5000电化学工作站进行电化学试验, 工作 电 极 为 涂 层 试 样,工 作 面 积 为 10 mm × 10mm,其余面用冷镶树脂封装,参比电极为饱和甘 汞电极(SCE),辅助电极为铂电极,腐蚀介质为模拟 海 水 (3 000 mg·L-1 NaCl、1 100 mg·L-1 NaHCO3、5000mg·L-1 MgCl2、15000mg·L-1 CaCl2 和蒸馏水);试验时扫描速率为1mV·s-1,保 8 聂辉文,等:VC添加量对激光熔覆Fe50Mn30Cr10Co10 高熵合金涂层组织和性能的影响 持恒电位待开路电路稳定后得到电化学极化曲线。

 2 试验结果与讨论

 2.1 微观形貌与微区成分 

由 图 3 可 知,随 着 VC 添 加 量 增 加, Fe50-xMn30Cr10Co10(VC)x 高熵合金涂层中的块状 组织变得更加细小。在未添加 VC(x=0)的高熵合 金涂层中能观察到少量尺寸较大的孔洞,孔洞周边 呈亮白色,且黑白衬度较大;添加 VC(x=1,3)后, 涂层中除了能观察到一些大大小小的孔洞以外,还 能观察到大量细小的第二相 VC颗粒,这些颗粒呈 黑色弥散分布在涂层中。激光熔覆温度较高,可以 达到2700℃;但是 VC颗粒的熔点高达2810℃, 在激光熔覆过程中不会完全溶解。未溶的细小 VC 颗粒一方面会增加高熵合金的形核质点而使得组织 细化,另一方面可以起到一定的钉扎作用阻碍涂层 晶粒长大;此外激光熔覆工艺较快的冷却速率也不 利于晶粒长大。因此,添加 VC陶瓷颗粒后涂层的 块状组织得到较为充分的细化。3种 VC添加量的 高熵合金涂层表面元素分布基本均匀,没有观察到 元素的局部富集现象,这说明在试验用激光熔覆工 艺条件下,高熵合金基体元素扩散较为充分。 图3 Fe50-xMn30Cr10Co10 VC x 高熵合金涂层表面SEM 形貌和元素面分布 Fig 3 Surfacemicromorphology a c e andelementmapping b d f ofFe50-xMn30Cr10Co10 VC xhigh-entropyalloycoatings 由图4可以看出,Fe50-xMn30Cr10Co10(VC)x 高熵合金涂层和 Q235钢基体的界面结合较为平 滑,横截面上未发现明显的孔洞、微裂纹等结合 面常见的 缺 陷,结 合 面 处 组 织 致 密。测 得 3 种 VC 添 加 量 高 熵 合 金 涂 层 的 平 均 厚 度 均 在 2.40mm 左右。 9 聂辉文,等:VC添加量对激光熔覆Fe50Mn30Cr10Co10 高熵合金涂层组织和性能的影响 图4 Fe50-xMn30Cr10Co10 VC x 高熵合金涂层的横截面形貌 Fig 4 SectionalmorphologyofFe50-xMn30Cr10Co10 VC xhigh-entropyalloycoatings 

2.2 物相组成 

由图5可见,Fe50-xMn30Cr10Co10 (VC)x 高熵 合金涂层组成相的晶体结构均为面心立方结构,均 没有出现 VC相的衍射峰。这主要是由于涂层中 VC含量过低,对应的 VC 相衍射峰不明显所致。 激光熔覆温度最高可达2700℃左右,如此高的温 度虽然能促进涂层中的原子迁移,却不能使 VC完 全溶解于基体相;未溶 VC颗粒会成为合金形核质 点而为涂层的组织细化创造条件。 图5 Fe50-xMn30Cr10Co10 VC x 高熵合金涂层的XRD谱 Fig 5 XRDpatternsofFe50-xMn30Cr10Co10 VC xhigh-entropy alloycoatings

由图6可见,Fe50-xMn30Cr10Co10(VC)x 高熵 合金涂层的硬度均高于 Q235钢基体,并且随着 VC 添加量的增加而增大。可见,添加一定量的 VC有 利于提高该高熵合金涂层的硬度。由前文可知,VC 添加量越高,涂层组织越细小;而细小的组织有利于 涂层硬度的提高。同时,由于 VC陶瓷颗粒本身硬 度就很高,其含量越多,涂层的硬度也就越高。 

2.4 耐磨性能 

当x=0,1,3时 Fe50-xMn30Cr10Co10(VC)x 高 熵合金涂层的磨损量分别为4.5,3.9,3.2mg;涂层 的磨损量随着 VC添加量的增加而降低,说明耐磨 图6 Fe50-xMn30Cr10Co10 VC x 高熵合金涂层的硬度分布 Fig 6 HardnessdistributionofFe50-xMn30Cr10Co10 VC x high-entropyalloycoatings 性能随着 VC添加量增加而提高。这主要是因为随 着 VC添加量增加,高熵合金涂层的显微硬度提高, 相应地耐磨性能也有所提高。 从图 7 可以看出:Fe50-xMn30Cr10Co10 (VC)x 高熵合金涂层的磨损表面均出现了平行分布的犁 沟,说明涂层表面均发生了犁削式的磨粒磨损;随 着 VC添加量的增加,平行分布的犁沟深度变浅, 说明磨损程度减轻。Fe50Mn30Cr10Co10 高熵合金 涂层由于未添加 VC陶瓷颗粒,其磨损较为严重, 表面出现少量微裂纹、分层及剥落现象,且局部发 生了剥落,与此同时磨损表面还存在少量点蚀现 象。添加原子分数1%的 VC陶瓷颗粒后,涂层表 面的犁沟数量减少,也没有出现分层剥落现象。 当 VC原子分数增加到3%时,涂层表面的犁沟出 现了不连续的现象,局部出现一些小隆起,这说明 涂层未发生完全的磨损剥落。这些不连续的犁沟 应该是由于磨损过程受到了涂层中 VC硬质陶瓷 颗粒的抵抗而导致的,同时由于组织细化,涂层抵 抗分层剥落的能力也有所提高;这从另一方面证 实了随 着 VC 添 加 量 的 增 加,涂 层 的 耐 磨 性 能 提高。 10 聂辉文,等:VC添加量对激光熔覆Fe50Mn30Cr10Co10 高熵合金涂层组织和性能的影响 图7 Fe50-xMn30Cr10Co10 VC x 高熵合金涂层的表面磨损形貌 Fig 7 SurfaceweartopographyofFe50-xMn30Cr10Co10 VC xhigh-entropyalloycoatings

2.5 耐腐蚀性能

 由图8可见,Fe50-xMn30Cr10Co10 (VC)x 高熵 合金涂层都表现出典型的钝化行为,说明3种高熵 合金涂层都具有良好的钝化性能。这应与涂层中含 有较高含量的铬和钴等元素有关,其中铬元素的存 在能使涂层表面生成 Cr2O3 钝化膜而起到保护作 用,从而提高耐腐蚀性能。 图8 Fe50-xMn30Cr10Co10 VC x 高熵合金涂层的极化曲线 Fig 8 PolarizationcurvesofFe50-xMn30Cr10Co10 VC xhighentropyalloycoatings 利用Tafel直线外推法对3种高熵合金涂层的 极化曲线进行测试和分析,结果如表1所示。可见, 随着 VC添加量的增加,高熵合金涂层的自腐蚀电 位增大,自腐蚀电流密度减小,耐腐蚀性能提高。 VC陶瓷颗粒的加入使得高熵合金涂层组织发生细 表1 Fe50-xMn30Cr10Co10 VC x 高熵合金涂层的自腐蚀 电位和自腐蚀电流密度 Table1 Self-corrosionpotentialandself-corrosioncurrent densityofFe50-xMn30Cr10Co10 VC xhigh-entropyalloycoatings x 自腐蚀电位/V 自腐蚀电流密度/(10-6 A·m-2) 0 -0.487 5.361 1 -0.434 4.935 3 -0.405 4.513 化,组织细化的表面生成的Cr2O3 等钝化膜更加致 密;致密的钝化膜可以降低高熵合金中铁、锰等元素 在极化过程的溶解反应速率,阻碍氯化物等腐蚀介 质的渗入,因此高熵合金涂层的耐腐蚀性能提高。 综上,VC 陶 瓷 颗 粒 的 添 加 既 有 利 于 改 善 Fe50Mn30Cr10Co10 高熵合金涂层的耐磨性能,又能 提高其耐腐蚀性能。 

3 结 论

 (1)采用激光熔覆技术制备添加原子分数0~ 3% VC陶瓷颗粒的 Fe50-xMn30Cr10Co10(VC)x 高 熵合金涂层,3种 VC添加量的涂层与 Q235钢基体 均结合良好,仅存在较少的孔洞等缺陷;涂层物相均 为面心立方结构的固溶相,由于 VC添加量低而没 有检测到明显的 VC相衍射峰。 (2)随着 VC 陶瓷颗粒添加量的逐渐增加, Fe50-xMn30Cr10Co10(VC)x 高熵合金涂层的组织发 生细化,硬度增加。 (3) VC 陶 瓷 颗 粒 的 添 加 能 同 时 提 高 Fe50Mn30Cr10Co10 高熵合金涂层的耐磨性能和耐腐 蚀性能。随着 VC添加量的增加,高熵合金涂层的 磨损量减小,磨损表面犁沟变浅,耐磨性能提高,同 时自腐蚀电位增大,自腐蚀电流密度减小,耐腐蚀性 能提高。

来源：材料与测试网