黄元盛,温立哲 (江门职业技术学院材料技术系,江门 529090)

摘 要:在40Cr钢表面激光熔覆 AlxTixNixCoCrCu0.5FeMo(x=4,5,6,7,8,9,物质 的量比)高熵合金涂层,并进行300~900℃退火处理,研究了退火温度对涂层组织和性能 的影响。结果表明:未退火及 300 ℃ 退火处理的高熵合金涂层均为单一 的 体 心 立 方 (BCC)相结构,500~900 ℃退火后合金涂层中生成类 Al2Ti3 结构金属间化合物相;当退 火温度升高至500 ℃时,晶内耐腐蚀性变差,且涂层耐腐蚀性随退火温度升高而下降;随 着退火温度升高,高熵合金涂层的硬度呈先下降后升高再下降的趋势,700 ℃退火处理的 Al4Ti4Ni4CoCrCu0.5FeMo合金硬度最大,为1019HV。

关键词:高熵合金;显微组织;金属间化合物;硬度;耐腐蚀性 中图分类号:TG174.44 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)05-0042-05

0 引 言

高熵合金的概念由叶均蔚[1]首次提出,是 指由5种或5种以上元素按等原子比或近等原 子比构成的一种固溶体合金,具有高熵效应、鸡 黄元盛,等:退火温度对 AlxTixNixCoCrCu0.5FeMo高熵合金涂层组织和性能的影响 尾酒效应、晶格畸变效应和扩散迟缓效应[2-4]。 高熵合金的硬度高,抗高温软化、抗高温氧化和 抗辐照性能优异[5-8],并且通过合理设计可获得 晶体与非晶体混合结构[9],常用于熔覆涂层以提 高基体材料表面硬度等性能[7-8]。结构型高熵合 金常用元素包括钴、铬、铜、铁,为了进一步提高 强度,通常还会加入钼元素。在熔炼冷却过程 中,部分高熵合金会析出金属间化合物相,但更 多的是在后期热处理中析出金属间化合物相;这 些析出相的存在有助于提高高熵合金的硬度和 耐腐蚀性能[10-16]。钛/镍、钛/铝和铝/镍间的混 合焓分别为-35,-30,-22kJ·mol -1[17],均为 负值,在熔融混合至冷却的过程中,铝、钛、镍3 种元素易形成金属间化合物[18]。作者基于前期 研究结果[19-23],采用激光熔覆法在40Cr钢基体 上 涂 覆 AlxTixNixCoCrCu0.5FeMo (x=4,5,6,7,8,9,物质的量比)高熵合金涂层并 对其进行300~900 ℃退火处理,研究了不同退 火温度下金属间化合物相的析出情况,并探讨了 退火温度对高熵合金涂层组织和性能的影响。

1 试样制备与试验方法

试验原料为由长沙天久金属材料有限公司 提供的铝、钛、镍、钴、铬、铜、铁、钼粉末,纯度均 大 于 99%, 粒 径 约 为 38 μm。 按 照 AlxTixNixCoCrCu0.5FeMo(x=4,5,6,7,8,9, 物质的量比)配比称取金属粉末原料,在 XQM4L型行星式高能球磨机中进行球磨混合(球料 质量比为2∶1),转速为200r·min -1,球磨时间 为2h。采用650型激光熔覆设备在40Cr钢基 体上进行熔覆试验,激光功率为650W,光斑直 径为3mm,激光扫描速度为300mm·s -1。 对涂层试样进行退火处理,退火温度分别为 300,500,700,900℃,保温时间为2h。对涂层表态时混合熵起主导作用,降低了 Gibbs自由能, 使得合金处于稳定固溶体状态,凝固后仅形成 单一的 BCC固溶体相。 高熵合金在高温液态时,混合熵的作用很 大,而冷却到固态后,混合熵的作用减小[1]。在 对合金涂层进行退火处理时,因为加热温度远 离熔点,混合熵的作用较小。当退火处理温度 低于500 ℃时,试验合金涂层中的金属原子因 直径较大,扩散困难,难以析出金属间化合物; 当退火温度升至500~900 ℃时,铝、钛元素的 扩散驱动力增加,易于析出类 Al2Ti3 结构金属 间化合物[19]。综上可知:在激光熔覆制备高熵 合金涂层过程中,高熵效应抑制了金属间化合 物的形成,不同铝、钛、镍含量合金涂层具有相 同的物相结构;退火处理后,由于混合熵的作用 减弱,涂层中形成类 Al2Ti3 结构金属间 化 合 物。

由图 3 可 以 看 出,不 同 温 度 退 火 前 后 AlxTixNixCoCrCu0.5FeMo高 熵 合 金 涂 层 的 硬 度均在650~1019HV 范围内波动,除x=5 外,其他成 分 合 金 涂 层 的 硬 度 均 满 足 随 退 火 黄元盛,等:退火温度对 AlxTixNixCoCrCu0.5FeMo高熵合金涂层组织和性能的影响 温度的升 高 而 先 下 降 后 升 高 再 下 降 的 趋 势。 300 ℃退火时温度较低,涂层中的应力得到释 放,硬度相比于凝固态(图3中以退火温度为 0表示)有所下降;当退火温度为500~700 ℃ 时,合金中 析 出 类 Al2Ti3 结 构 金 属 间 化 合 物 相,使得涂层硬度升高,700 ℃退火后所有合 金 涂 层 硬 度 达 到 峰 值, 其 中 Al4Ti4Ni4CoCrCu0.5FeMo合金涂层硬度最高, 为1019HV;当退 火 温 度 进 一 步 升 高 至 900 ℃时,硬 度 反 而 下 降,该 结 果 与 文 献 [20]相 似,这是由析出相粗化,析出强化效果变差所 致。 图3 不同温度退火前后 AlxTixNixCoCrCu0.5FeMo高熵合金 涂层的显微硬度 Fig.3 MicrohardnessofAlxTixNixCoCrCu0.5FeMohigh-entropy alloycoatingsbeforeandafterannealingatdifferenttemperatures 3 结 论

(1 ) 在 激 光 熔 覆 制 备 AlxTixNixCoCrCu0.5FeMo(x=4,5,6,7,8,9,物 质的量比)高熵合金涂层过程中,高熵效应抑 制了金属 间 化 合 物 的 形 成,不 同 铝、钛、镍 含 量的高熵合金涂层均由单一 BCC 相 组 成;退 火处理后,混合熵作用减弱,当退火温度高于 500 ℃时,涂 层 中 开 始 生 成 类 Al2Ti3 结 构 金 属间化合物。 (2)未退火及300 ℃退火处理后,高熵合 金涂层晶界的耐腐蚀性能优于晶内,当退火温 度升至500 ℃及以上时,析出的类 Al2Ti3 结构 相导致晶内耐腐蚀性能变差,且涂层耐腐蚀性 能随退火温度升高而下降。 (3)随着退火温度的升高,高熵合金涂层 的硬度呈先下降后升高再下降的趋势,当退火 温度为500~700 ℃时,析出的类 Al2Ti3 结构 相 使 得 硬 度 上 升,700 ℃ 退 火 后 的 Al4Ti4Ni4CoCrCu0.5FeMo合金涂层硬度最高, 为1019HV,而900℃退火后,因析出相粗化, 涂层硬度下降。