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高熵合金涂层的摩擦性能

时间:2022-01-08 10:34:31  来源:  作者:

高熵合金涂层具有优异的力学性能,高硬度涂层可有效抵抗外载荷引起的塑性变形,根据Leyland原理可知,硬度的提高可显著提高涂层的耐磨性。高熵固溶体相与金属间化合物、陶瓷相、非晶相组成的复合涂层可有效提高耐磨性,其中韧性固溶体相作为基体相,对硬质相起到支撑、黏结作用,有助于防止裂纹的萌生与扩展,而坚硬的金属间化合物、陶瓷相、非晶相可以有效抵抗摩擦副的压入,防止表面发生严重的塑性变形。此外,合金元素,如MoW等可作为润滑元素有效降低涂层的摩擦系数,起到润滑减摩的效果。从高熵合金涂层元素种类多样性出发,综合多种提高耐磨性的方法开发新型的耐磨涂层是表面工程十分有前景的领域。

1.高熵合金金属涂层摩擦性能

    Cantor 合金为单相fcc 结构,在室温与液氮温度下均具有优异的强韧性,但是其硬度较低,耐磨性差。为了提高体系的耐磨性,通常向固溶体相中加入原子半径差异较大的元素,通过固溶强化、析出强化、金属间化合物或者促进形成bcc 固溶体相以提高基体的硬度,从而改善涂层的耐磨性。Al 元素是常用的合金化元素,具有促进fcc 结构向bcc 结构转变的作用。Ye 等向AlxCoCrFe-NiMn体系中添加不同含量的Al 元素调节体系的物相组成,使其从单一fcc 结构逐渐转变为bcc 结构,并研究该过程中不同物相含量对体系的磨损、腐蚀以及抗高温氧化性能的影响。研究发现,硬度的提高有效促进了耐磨性的增强,符合Archard 原理。当Al 含量较低时,体系保持fcc 结构,屈服强度低,在外载荷作用下,摩擦副更容易压入基体,导致塑性变形,磨损过程中发生严重的黏着磨损;而当x = 2.0 时体系以高硬度bcc 相为主,可有效抵抗摩擦副的犁削作用,磨痕变浅,表面变得光滑,磨屑变得细小,为典型的磨粒磨损特征。

2.陶瓷强化高熵合金涂层摩擦性能

陶瓷强化高熵合金复合涂层可以通过原位反应和外加陶瓷相的方法制备,该类合金通过综合韧性基体与高硬度陶瓷实现强韧配合,来提高涂层的耐磨性。由于金属元素与BCN元素之间的混合焓很低,所以通常可以通过2者反应形成硬质陶瓷相来改善涂层的摩擦性能。由于Ti C元素之间较低的混合焓,在CoCrFeNiCuSi0.2高熵合金体系中加入不同含量的Ti C元素,通过激光熔覆方法制备的涂层中树枝晶为fcc 相,作为硬质陶瓷相的承载基体,TiC 陶瓷相主要分布在晶间区域,其含量随着TiC含量的增加逐渐提高,涂层的硬度也随之提高,同时摩擦系数随之降低。当(Ti, C)xx = 1 时,体系具有最高的硬度与最少的磨损体积。

TiC 也可以直接通过外加的方式加入到涂层中,Jiang 等解,当TiC 含量达到50% (质量分数)时,涂层的硬度超过1000 HV。涂层的磨损体积随TiC含量的提高逐渐减少,摩擦系数也逐渐降低。无论通过外加还是原位生成,陶瓷强化高熵合金提高耐磨性的过程可解释为:摩擦副在滑动过程中同时接触到软基体相与硬陶瓷相,由于基体与陶瓷相的性质不同,对摩擦副作用下的应力响应也不同,软基体相与摩擦副作用部位应力超过材料的屈服强度,发生塑性变形,高硬度陶瓷相则未发生塑性变形,而是将应力传递到了陶瓷相与基体的结合区域,增大接触面积,缓解应力集中,对摩擦副起到有力的支撑作用。在摩擦副往复作用下,韧性基体由于塑性变形的加剧脱落形成磨屑,而在陶瓷相与基体结合部位由于大量变形协调位错堆积,逐渐演化成微裂纹,失去对陶瓷相的滞留作用,同时伴随着陶瓷相的脆性断裂,而逐渐脱落。脱落的陶瓷相夹杂在摩擦副与涂层之间,形成三体磨损。因此可以看出,提高基体材料的屈服强度,增强陶瓷相与基体的界面结合性质,提高结合强度以及调整陶瓷相的微观分布状态是提高涂层耐磨性的关键因素。

3.高熵非晶涂层摩擦性能

结合高熵合金与非晶合金的优点,制备高熵非晶涂层是未来金属表面工程领域重要的发展方向。Nb的原子尺寸较大,在许多体系中可作为合金化元素加入以提高体系的非晶形成能力。在Fe25Co25Ni25(B0.7Si0.3)25 体系中加入适当的Nb 可有效提高体系的非晶含量,当加入量为2% (原子分数)时,X射线衍射(XRD)峰明显宽化,峰强变弱,这是由于体系中非晶含量提高导致的,其原因是Nb的加入使体系成分更加靠近共晶点位置,其非晶形成能力提高,同时其硬度也得到了提升。对其进行的磨损实验研究表明,随着高硬度非晶相含量的逐渐增加,摩擦副压入涂层表面越来越困难,使得磨痕越来越浅,磨损体积也大幅降低。

Shu 等制备了不同FeCo 比例的非晶基复合涂层,研究表明,涂层由非晶相、纳米晶组成,Fe Co的比例相同时具有最佳的非晶形成能力,非晶体积分数达到66.7%,高非晶含量可有效提高涂层的硬度,降低氧化磨损程度,提高涂层高温磨损抗力。从磨痕可以看出,Fe 含量最低时,磨痕表面氧化物磨屑最少,说明高非晶含量可有效抵抗涂层的脱落与氧化磨损,使涂层表现出明显的磨粒磨损特征。


 

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