Ti-13Nb-13Zr表面多孔梯度合金的制备及性能研究

利用放电等离子烧结（SPS）技术制备了中间致密、表面多孔的Ti-13Nb-13Zr梯度合金,研究了烧结温度（950~1200 ℃）对梯度合金组织演变、界面结合、表面孔隙特征、力学及体外矿化性能的影响。结果表明：随烧结温度的逐步上升,梯度合金中α-Ti相减少,β-Ti相增多,组织逐渐连续均匀分布,晶粒得到细化,中间基体与多孔层界面呈连续过渡且形成良好的冶金结合,表面多孔层孔隙率下降而平均孔径减小;梯度合金抗压强度值随烧结温度升高呈先增大后降低趋势,而弹性模量值变化不大;综合分析,烧结温度为1150 ℃时,制备的表面多孔梯度合金不仅具有良好的力学性能（抗压强度893MPa,弹性模量16GPa）,而且具有适宜的孔隙参数（孔隙率34.7%,平均孔径340.9μm）及优异的类骨磷灰石形成能力与体外矿化性能。     

激光熔覆AlxCoCrCuFeNi高熵合金涂层组织与耐磨性

利用激光熔覆技术在45钢基体表面制备AlxCoCrCuFeNi(x=0.5,0.75,1.0,1.25,1.5)高熵合金涂层,研究了 Al元素含量对涂层组织结构、相组成、硬度及耐磨性的影响规律,重点分析了非平衡凝固快冷条件对高熵合金涂层形核的影响机制.AlxCoCrCuFeNi涂层具有BCC和FCC结构,随Al元素含量的增加FCC逐渐向BCC转变,高熔点Fe,Cr元素偏聚于BCC相中,Cu元素以富Cu相形式存在.涂层硬度随Al含量的增加而增大,合金体系为Al1.5CoCrCuFeNi时硬度达到最大为807.3HV0.2,耐磨性与硬度呈正相关性.激光熔覆非平衡快冷条件抑制了金属间化合物等有序相的形核、生长,有利于高熵合金固溶体相的形成.     

Si对高熵合金涂层组织和高温抗氧化性能的影响

研究了Si含量对窄带/宽带激光熔覆NiCoFeCrSi_xAlCuTiMoB_0.4(x=1.0, 0.5)高熵合金涂层组织、相结构及高温抗氧化性能的影响。结果表明:窄带涂层组织为树枝晶,主要相结构为BCC固溶体。宽带涂层为较粗大的树枝晶,相结构由BCC固溶体和存在于枝晶间的B(Fe, Si)₃、Cr₂B少量第二相组成,且Si元素的减少使得涂层中的B(Fe, Si)₃第二相含量减少。宽带涂层经800 ℃氧化50 h后氧化产物截面主要由富Cr的外氧化层和富Al的内氧化层组成,Si元素含量的增加提高了涂层的抗高温氧化性能,特别是显著降低了内氧化层厚度。     

激光熔覆CoCrFeNiSix高熵合金涂层的组织及性能

目的 研究Si含量对CoCrFeNi高熵合金激光熔覆涂层的组织及性能的影响.方法 利用激光熔覆技术在45#钢基材上制备CoCrFeNiSix(x=0.0,0.5,1.0,1.5,2.0)高熵合金涂层,通过扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、显微硬度计、摩擦磨损试样机,对单道和多道熔覆层的宏观形貌、微观组织、显微硬度及摩擦磨损性能进行观察和测试.结果 高熵合金涂层与基体形成良好的冶金结合,添加适量的Si可以提高熔覆层的表面成形性,随着Si的添加,合金的稀释率先增后减,且润湿角逐渐减小.涂层的微观组织随Si含量的升高由等轴晶变为树枝晶,后又变为等轴晶,晶粒结构尺寸减小,涂层致密度提高.涂层由fcc结构变为bcc结构.涂层的显微硬度随Si含量的增加而增加,在x=2.0时,硬度达到600HV0.5左右,约为基体3倍.磨损方式由粘着磨损变为磨粒磨损,当Si含量最高时,磨损量达到最少,摩擦因数也最低,约为0.49.结论 在CoCrFeNi基高熵合金中添加Si可以降低合金的熔点,提高润湿能力;Si还可以增加涂层的形核率,起到细化晶粒的作用;Si作为添加元素还提高了涂层硬度,改善了涂层的耐磨减摩作用.     

SPS制备NiTi表面多孔梯度合金的组织演变与力学性能研究

利用放电等离子烧结技术制备了基体为NiTi、表面为多孔NiTi的生物医用梯度合金,研究了烧结温度对梯度合金的微观结构、显微组织演变、表面孔隙特征及力学性能的影响。结果表明:随着烧结温度升高,合金由Ti、Ni、Ti_2Ni、Ni_3Ti混合相逐渐演变为以NiTi相为主及少量残留Ti_2Ni、Ni_3Ti相组成的组织,基体与多孔层界面处裂纹及缺陷逐渐减少并形成稳定的冶金结合,内外层晶粒不断细化,但过高的烧结温度会导致多孔层孔隙融合连通,使得梯度结构遭到破坏,同时表面多孔层孔隙率与平均孔径呈缓慢减小趋势;合金压缩弹性模量随烧结温度升高变化不明显,而抗压强度呈显著增大趋势。与块体NiTi合金及多孔NiTi合金相比,所制备梯度合金不仅具有良好的界面结合和表层孔隙特征、较高的抗压强度及较低的弹性模量,还具有优异的超弹性性能。     

4043/6061铝合金-Q235钢的反应润湿行为与前驱膜形成机制

铝在钢表面的润湿行为及润湿性直接关系到热浸铝工艺所制备涂层的质量。采用座滴法在高真空条件下研究了熔融4043和6061铝合金分别在Q235钢表面的润湿行为及界面结构。结果表明:4043/6061铝-Q235钢为典型的反应润湿体系,且润湿性随着温度的升高而改善。反应过程中生成的金属间化合物替代基板表面的氧化膜,形成洁净的界面进而促进熔滴铺展。铝合金化学成分不同导致界面结构不同,进一步导致铺展动力学规律不同,其中6061和4043铝合金在Q235钢表面润湿的活化能分别为86 k J/mol和8 k J/mol。6061铝合金中Mg的挥发可以还原钢表面的氧化膜,使铝熔滴更容易润湿钢板并形成前驱膜,其形成机制为"皮下渗透机制"。4043铝合金中的Si在固-液界面有较高的亲和力,因此在反应层出现了明显的Si富集。     

Bi-Sn熔体在高熵合金上的润湿行为及界面特征

采用传统座滴法研究了低熔点合金(Bi-Sn)和高熵合金(AlCoFeNiCr和CuCoFeNiCr)之间的润湿行为及界面特征。借助扫描电子显微镜(SEM)和能谱分析(EDS)分析了Bi-Sn/AlCoFeNiCr和Bi-Sn/CuCoFeNiCr界面微观结构。结果表明:AlCoFeNiCr和CuCoFeNiCr高熵合金都是结构单一的固溶体,但Bi-Sn熔体在CuCoFeNiCr高熵合金基体上的润湿性明显地优于Bi-Sn熔体在AlCoFeNiCr高熵合金基体上的润湿性;Bi-Sn/CuCoFeNiCr界面发生剧烈的化学反应,有大量的界面反应物生成,Bi-Sn熔体中的原子Sn主要是沿着CuCoFeNiCr高熵合金中的富铜相扩散,而Bi-Sn/AlCoFeNiCr界面平直,且随着润湿温度的升高,Bi-Sn熔体中的原子向AlCoFeNiCr高熵合金基体的扩散程度加强并伴随化学反应,出现类似"皮下潜流"现象;由于CuCoFeNiCr高熵合金中富铜相的存在,为Bi-Sn在CuCoFeNiCr高熵合金基体上的铺展提供了"润湿通道"。     

镀锌层对AlSi5/钢TIG钎焊液态钎料润湿铺展行为影响机理研究

采用在镀锌钢板和钢板上进行Al Si5钎料的TIG电弧加热润湿铺展试验,通过润湿铺展试样的截面形貌观察、能谱测试和Al Si5/基体界面组织分析等方法,了解其润湿铺展行为、钎料区内的成分分布和界面组织形态,重点探讨镀锌层对Al Si5润湿铺展行为和界面组织的影响。研究结果表明,随燃弧时间增加,钎料铺展高度降低、宽度增加,润湿角减小。由于钎料润湿铺展前沿富锌区的存在导致Al Si5钎料在镀锌钢板上的润湿性得到提高。镀锌层导致Al Si5/镀锌钢板界面的Fe Al金属间化合物层厚度变薄。     

热浸镀铝锌板镀层微观组织结构表征

目的 研究热浸镀铝锌板镀层微观组织结构.方法 利用扫描电镜、能谱和电子探针分析铝锌板表面与镀层的组织形貌与成分;利用X射线衍射与电子背散射衍射技术分析铝锌板镀层的物相组成与相结构.结果 铝锌板表面为典型的锌花形貌,锌花内部呈现出有条理的枝晶状结构.铝锌板镀层沿厚度方向分为内外两层:外层为合金层,其成分主要为Al、Zn和Si,该层主要是由富Al相、富Zn相以及少量条状高Si相构成;与钢基体接触的内层为过渡层或金属间化合物层,该层的厚度仅约为1μm,其成分为Fe、Al和Si,该层由弥散致密的细颗粒与少量分散的粗颗粒构成.此外还发现,有少量条状或颗粒状的高Si相分布在过渡层与合金层之间.结论 铝锌板镀层中合金层的富Al相、富Zn相以及条状高Si相的相结构分别为Al的面心立方结构、Zn的密排六方结构和Si的面心立方结构,高Si相的分布特性可以有效地控制镀层的厚度.过渡层的相结构更倾向于单斜结构的Al13Fe4,该层在形成过程中,部分细颗粒相长大并发生粗化,从而形成粗颗粒相穿插于过渡层与合金层之间,进一步加强了过渡层与合金层的连接,进而间接地对镀层粘附性能和延伸性能的提高起到了关键性的作用.     

放电等离子烧结制备低密度AlTiCrNiCu高熵合金及其组织性能研究

采用机械合金化和放电等离子烧结工艺制备了低密度AlTiCrNiCu高熵合金材料,重点研究了球磨时间对各元素粉末的合金化过程及烧结温度(950 ~ 1050 ℃)对高熵合金组织及力学性能的影响。结果表明：高熵合金粉末为单相BCC结构,随着球磨时间的增加,粉末粒径先变大后变小,其最终平均粒径大约为20 μm。高熵合金块体材料的相结构为BCC1(基体相)+BCC2(富Cr相)+FCC(富Cu相),密度为6.22 ~ 6.30 g/cm_³。烧结温度的升高,有利于高熵合金粉末的冶金结合,促进了高熵合金块材料的致密化。当烧结温度为1050 ℃时,AlTiCrNiCu高熵合金具有良好的综合力学性能,其屈服强度、压缩强度、塑性和显微硬度分别为1410 MPa,2000 MPa,9.13%和524 HV。分析认为高的烧结温度为各元素原子间的充分扩散提供了足够的能量。然而,TEM分析表明,高的烧结温度也促进了弥散的FCC富Cu相在晶界的聚集长大。     

激光熔覆AlxNbMn2FeMoTi0.5高熵合金涂层的组织与性能

使用激光熔覆技术在Q235钢基体上制备Al_xNbMn₂FeMoTi_0.5高熵合金涂层,期望借此提高干切削技术适用刀具表层的硬度和耐磨性。经过初步筛选之后,主要研究了Al_xNbMn₂FeMoTi_0.5(x=1、1.5、2)高熵合金涂层体系,并采用XRD和3D激光扫描成像等手段分析了不同Al含量的Al_xNbMn₂FeMoTi_0.5合金涂层的晶相结构、显微组织和具体元素分布。结果显示,对于Al_xNbMn₂FeMoTi_0.5高熵合金涂层,随着Al含量的增加,涂层的相结构由单一的BCC相逐渐转变为双相BCC结构,晶粒逐渐细化。当x=2时,Al_xNbMn₂FeMoTi_0.5高熵合金涂层硬度最高,平均为1089.6 HV0.3,大约为基材的5倍,且其具有最优的耐磨损性能。x=1.5时,Al_xNbMn₂FeMoTi_0.5高熵合金涂层的自腐蚀电位最高,自腐蚀电流密度最小,耐腐蚀性最好。     

FeCoCrNiAlx高熵合金的电爆合金化

电爆喷涂是一种表面改性的新方法,它是利用高电压对喷涂材料脉冲放电,瞬时大电流将其加热并发生爆炸,产生高温粒子伴随冲击波喷射到基体表面形成涂层。本文提出了电爆法制备高熵合金涂层的新工艺,利用XRD、SEM、EDS以及电流电压波形对该方法制备高熵合金涂层的可行性进行了研究。结果表明,FeCoCrNiAlx (x=0, 0.5, 1.0)合金系涂层都形成了简单的FCC、BCC及FCC+BCC结构固溶体,并且随着Al含量的增加,该涂层的相结构由FCC相逐渐向BCC相转变。涂层表面平整、致密,没有明显的裂纹,且元素均匀分布在涂层表面,并没有发现明显的元素偏聚现象。初始充电电压11kV下的能量沉积为285.770 J,平均沉积效率达到48.8%。随Al含量的增加,涂层显微硬度逐渐增大,当x=1.0时平均显微硬度达到最大值531.8HV,大约是基体显微硬度的2倍。可以看出,电爆法实现了高熵合金涂层的成功制备。     

Characterization of micro-arc ceramic coatings on Ti-2Al-2.5Zr alloy substrates

Titanium oxide coatings were synthesized on Ti-2Al-2.5Zr alloy substrates by micro-arc oxidation （MAO） technique. The surface features of the coatings were studied by scanning electron microscopy. The micro-arc discharge channels of the Ti-2Al-2.5Zr alloy decrease while the discharge channel size increases clearly with an increase in treating time. With an increase of the coating thickness the porous layer thickness increases apparently. Phase composition of the surface layers of the coatings was evaluated by X-ray diffraction and X-ray photoelectron spectroscopy. The results of XRD and XPS analysis show that the MAO coating mainly consists of anatase and rutile TiO2.     

熔覆电流对FeCoCrNiMn高熵合金涂层组织与性能的影响

目的 研究等离子熔覆电流对FeCoCrNiMn高熵合金涂层组织与性能的影响。方法 采用等离子堆焊工艺在65Mn钢基体上制备等摩尔比的FeCoCrNiMn高熵合金涂层。通过观察涂层的宏观表面特征来判断等离子熔覆技术制作高熵合金涂层的宏观效果。利用金相显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）以及X射线衍射技术（XRD）观察涂层显微组织,并分析涂层的成分和相组成。采用维氏硬度显微测试计测量合金涂层的表面硬度和基体至涂层的层深硬度。结果 等离子熔覆技术制备的合金涂层无裂纹,涂层平均厚度达到2 mm。涂层元素与熔覆粉末元素比例一致,除去部分Fe元素由基体进入涂层之外,涂层依旧为单相FCC固溶体结构,组织形态为枝晶。涂层与基体结合处可以观察到明显的柱状晶区和热影响区（HAZ）。随着电流的增大,枝晶组织逐渐变粗,而FeCoCrNiMn高熵合金涂层的表面硬度逐渐减小,在190 A处,硬度发生突变达到最大值366.3HV,170 A处为最小值258.78HV。沿层深方向,涂层硬度变化不大,热影响区内由上到下,硬度先增大后减小。结论 等离子熔覆技术制备高熵合金涂层有明显的优势,且具有制作大面积表面涂层的潜力,涂层厚度可以达到毫米级。电流大小改变,FCC相组成没有发生改变,而组织结构发生改变,随着电流变大,枝晶组织变粗,涂层硬度逐渐下降。     

铬铁原矿粉掺杂制备CrFeNiSiAl0.5高熵合金涂层及其组织性能

目的 以40Cr钢为基体,制备掺杂铬铁原矿粉的CrFeNiSiAl0.5高熵合金涂层,提高其硬度与耐磨性.方法 在Cr、Fe、Ni、Al、Si纯金属粉末中掺杂铬铁原矿粉,矿粉有效原子数分数为0％、5％、10％、15％时,采用激光熔覆技术,在40Cr钢基体上制备CrFeNiSiAl0.5高熵合金涂层.利用X射线衍射仪、金相显微镜、扫描电子显微镜,表征高熵合金涂层的物相结构及微观组织.利用硬度计、磨粒磨损机,对涂层的硬度及耐磨性能进行表征.结果 不含铬铁原矿粉时,高熵合金涂层为单一的BCC相,铬铁原矿粉为10％时,出现FCC相.高熵合金涂层微观组织以胞状树枝晶为主,涂层与结合区存在明显分界,与基体呈良好的冶金结合.不含铬铁原矿粉时,高熵合金涂层平均硬度值为643.5HV;铬铁原矿粉为15％时,涂层平均硬度值为838.1HV,是基体的3.4倍.磨损率随铬铁原矿粉占比的增加而降低,铬铁原矿粉有效原子数分数为15％时,磨损率约为0.14 mg/mm2,耐磨性能最好.结论 在40Cr钢基体上成功制备出了以铬铁原矿粉为掺杂组元的高熵合金涂层,铬铁原矿粉的掺入,提升了CrFeNiSiAl0.5高熵合金涂层的硬度与耐磨性.     

钛合金表面激光熔覆AlBxCoCrNiTi高熵合金涂层的组织与性能

目的研究AlB_xCoCrNiTi(x=0、0.5、1)高熵合金涂层的组织及性能,提高钛合金表面硬度及耐磨性。方法采用激光熔覆技术在TC4钛合金表面制备出AlB_xCoCrNiTi高熵合金涂层,运用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、电子探针(EPMA)等材料分析手段,研究了B含量对高熵合金涂层形貌、组织结构、成分的影响,并采用维氏硬度计以及摩擦磨损试验检测了熔覆涂层的硬度和耐磨性能。结果高熵合金涂层与基体的整体结合形貌良好。未添加B的高熵合金涂层主要由BCC相和晶体结构类似(Co,Ni)Ti_2相组成。随着B的加入,高熵合金涂层的晶粒得到细化,BCC相含量增加,(Co,Ni)Ti_2相含量有所减少,且熔覆层原位生成了TiB_2硬质相,TiB_2硬质相含量随B含量的增加而增加。熔覆涂层的硬度和耐磨性与B含量呈正相关关系,AlB_1CoCrNiTi高熵合金涂层的平均显微硬度最大,为814HV,且AlB_1CoCrNiTi高熵合金涂层的磨损量最小,其耐磨性约为未添加B的高熵合金涂层的7倍。结论 B含量的增加,有助于改善AlB_xCoCrNiTi高熵合金涂层的摩擦学性能,AlB_xCoCrNiTi高熵合金涂层有效提高了钛合金表面的硬度及耐磨性能。     

H13钢表面激光熔覆AlCoCrFeNiWx高熵合金涂层及其性能

以热作模具钢H13作为基体,通过激光熔覆制备AlCoCrFeNiW_x(x=0, 0.5)高熵合金涂层,并研究W元素的添加对其组织结构以及热稳定性和耐磨性的影响。激光熔覆AlCoCrFeNiW_x高熵合金涂层相组织结构随W元素的添加会发生变化,W的添加会促进BCC相的形成,并且在晶界处形成富含W的第二相,其生长方向会沿着冷却方向形成细长状的枝晶,这些第二相会起到耐磨和强化涂层的作用。经800 ℃长时间保温后测试AlCoCrFeNiW_x高熵合金涂层的热稳定性。结果表明,AlCoCrFeNiW_x高熵合金涂层均能够保持较高的硬度和耐磨性,14 h保温后的硬度仍大于400 HV0.2,加入W元素后的涂层抗回火软化能力更强,800 ℃保温14 h后的耐摩擦磨损性能是基体的两倍以上。     

高熵合金涂层的研究进展

高熵合金涂层在工程实际应用中较传统合金具有良好的前景,对近年来高熵合金涂层的研究进展进行了概述。首先对制备高熵合金涂层的表面熔覆技术进行详细的介绍,其中包括激光熔覆技术、等离子熔覆技术、氩弧熔覆技术,分析了各表面熔覆技术的优缺点;然后总结了高熵合金涂层的组织及性能特征,涂层中相的组成包括:固溶体相、金属间化合物、纳米析出相、非晶相;性能上,高熵合金涂层由于各种效应的作用,具有高强度及硬度、优异的耐磨性、良好的耐腐蚀性及高温抗氧化性等一系列优异的性能;而后进一步分析了表面熔覆技术工艺参数对高熵合金涂层质量的影响规律、合金元素对高熵合金涂层性能的影响及热处理对高熵合金涂层相组织演变的影响;最后对高熵合金涂层的应用前景及其未来的研究方向进行展望。