1、T8钢基体表面熔渗高熵合金组织及性能研究摘要: 1995年，叶均蔚提出了一种新的合金设计理念要要多主元高熵合金 (或称多元高混乱度合金)。作为一种新型的合金材料，高熵合金表现出许多优良的特性，其中极高的硬度、强度、良好的热稳定性和耐腐蚀性以及良好的塑韧性等是其显著特点。多主元高熵合金表现出与传统合金不同的特性，而且通过不同的元素搭配可获得种类繁多的新型合金，因此具有丰富的应用潜能和广阔的应用前景。本文研究了T8钢基体表面熔渗高熵合金组织及性能。高熵合金采用AI、Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti、Si八组元高熵合金与Al、Cr、Co、Fe、Ni五组元高熵合金，通过感应加热与热处理炉加热的方法来
2、使高熵合金涂层熔渗进各种基体表面，经分析比较得到了最佳的熔渗工艺。同时观察了高熵合金涂层的显微组织，测试了涂层材料的硬度、耐磨性等力学性能。关键词：感应加热，熔渗，高熵合金，涂层，高硬度 T8 steel substrate surface aluminized high entropy alloys and performance researchAbstract：In 1995, Ye Junyu put forward a new concept of alloy design to multi principal element high entropy alloy (or multi
3、ple high degree of confusion alloy). As a kind of material alloy, high entropy alloy exhibits many excellent properties, the thermal stability of high hardness, strength, and good corrosion resistance andgood ductility and toughness is its remarkable characteristic. Multi principal element high entr
4、opy alloys showed different characteristics from traditional alloy,but with different kinds of new alloys can be obtained through different elements,so it has potential application in rich and broad application prospects.This paper studied the T8 steel matrix surface melt infiltration structure and
5、properties of high entropy alloys. High entropy alloy by using five groups of AI,Cr, Co, Fe, Ni, Mo, Ti, Si eight element high entropy alloys with Al, Cr, Co, Fe, Nihigh entropy alloy, by induction heating and heat treatment furnace heated tohigh entropy alloy coating is penetrated into the various
6、substrate surface, theanalysis and comparison of the best infiltration process. At the same time,observed the microstructure of high entropy alloy coating, hardness, wear resistance and mechanical properties of the coating material test.Keywords: Induction heating, Melt infiltration, High entropy al
7、loys, coating, High hardnessIII目 录1 前言11.1 高熵合金的概念11.1.1 高熵合金概念的提出11.1.2 高熵合金的定义21.1.3 高熵合金的应用前景41.2 高熵合金的性能特点51.3 高熵合金的组织结构81.3.1 相结构81.3.2 纳米化与非晶化91.3.3 鸡尾酒效应101.4 高熵合金的制备方法101.4.1 电弧熔炼法101.4.2 高频感应炉加热熔炼111.4.3 磁控溅射技术121.4.4 机械合金化技术121.4.5 热喷涂技术121.4.6 其他熔炼方法121.5 高熵合金的国内外研究现状131.6 涂层的介绍161.7 高熵合金
8、涂层162 熔渗高熵合金试样的制备182.1 高熵合金的配置182.2 粘结剂的配置182.3 熔渗高熵合金试样的制备193 T8钢基体熔渗高熵合金工艺研究213.1 T8钢材料介绍213.1.1 T8钢材料的成分213.1.2 T8钢材料的组织213.1.3 T8钢材料的性能213.1.4 T8钢材料的用途介绍223.2 热处理炉加热熔渗高熵合金工艺233.3 感应加热熔渗高熵合金工艺244 T8钢基体熔渗高熵合金组织及性能研究264.1 T8钢基体的组织及性能264.1.1 T8钢基体的组织264.1.2 T8钢基体的硬度测量284.2 感应加热熔渗高熵合金的组织及性能304.2.1 熔渗
9、八组元高熵合金的组织及性能304.2.2 熔渗五组元高熵合金的组织及性能324.3 炉加热熔渗高熵合金的组织及性能33结 论36参考文献37致 谢39太原工业学院毕业设计1 前言1.1 高熵合金的概念1.1.1 高熵合金概念的提出 20世纪70年代人们把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱。80年代，以高技术群为代表的新技术革命，又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。这主要是因为材料与国民经济建设、国防建设和人民生活密切相关。材料是人类赖以生存和发展的物质基础。合金是各种材料中最常见的，传统合金系统约有30种，其在特性上已经达到相当高的境界，但在许多方面仍然无法满足设计的
10、需求，所以近年来，有更多的努力欲寻求突破，开发出了一些新的材料。如介金属材料、金属基复合材料、金属玻璃和无铅焊锡等1。对于传统的合金，合金材料几乎都是以一种金属元素为主, 添加不同的合金元素获得具有某些特殊性能的合金, 例如以铁为主元的钢铁材料、以镁为主元的镁合金、以铝为主元的铝合金等。添加合金元素可以增强合金的性能, 如使韧性与强度提高，增强耐蚀性、耐磨性等, 但是添加过多的合金元素种类会导致很多脆性金属间化合物的出现, 恶化合金的机械性能; 同时过多的化合物不利于合金组织的研究, 分析比较困难。所以, 一直以来人们开发新型合金和改善合金都是基于以1种合金为主元一般超过50%)的观念, 通过
11、添加少量合金元素和改善工艺的方法, 以获得良好的组织和性能的合金。 1995年,叶均蔚提出了一种新的合金设计理念称为多主元高熵合金 (或称多元高混乱度合金),该合金一般由5 种以上13 种以下的主要元素组成,且每种元素的原子百分比大于5%,但也不超过35%。高熵合金具有许多不同于传统合金的组织结构以及性能特点，具有很大潜在价值。 高熵合金在由中国台湾清华大学的科学家叶均蔚在1995年提出并进行了研究后，直到2004年才有研究成果出现。1.1.2 高熵合金的定义 “多主元高熵合金”就是组成合金的主要元素多、混合熵高、由多种元素集体相互作用而表现其特色的合金。根据传统物理冶炼方法和对二元、三元相图
12、的考虑，将多种组元按照等原子比或者接近等原子的方法混合熔炼，使多组元元素形成固溶体，每种元素都可以认为是溶质原子，并得到许多金属间结构相，这就是所谓的多主元高熵合金。 其中每种主要元素皆具有高的原子百分比, 定义高熵合金的主要元素数目一般多于5种，不超过13种 , 但其原子百分比皆不超过35 %，其中没有一种元素能占50%以上的，而每个次要元素均小于等于5。因此高熵合金与传统合金不同, 传统合金含有1 种原子百分比大于50 % 的主要元素，而高熵合金中所有主要元素的原子百分比含量基本相当, 它们共同发挥作用。（1）固溶体混合熵的定义在热力学上，熵(entropy)是代表一个物质系统的混乱度的参
13、数，如果混乱度越大，熵就越大。一个物质系统中的原子振动组态、电子组态、磁矩组态、原子排列组态等都会影响系统的熵值，其中原子排列组态的影响最大，如果忽略其它组态对熵值的影响，则系统的熵以原子排列的混合熵为主2。混合熵也称组态熵，组态熵随着合金中组元的组合方式的不同而不同，其反映合金中组元的组合方式，例如二元固溶体、空位固溶体与有序固溶体等组元组合方式不同，其组态熵也不同。熵(S)是热力学几率，组态熵 S=KlnW。计算热力学几率，实际上是一个计算组合的问题，下面以二元置换固溶体为例进行计算。设固溶体晶格中一共有N个结点，被A和B两类原子完全占据，一个结点上只能容纳一个原子，这两类原子的数目分别是
14、NA和NB，现在计算这两类原子填充到结点上的组态数目。NA个结点被A类原子充填后，余下的NB个结点由B原子占据，此时只有一种组合，所以求两类原子的填充组合实际上是求NA个原子占据N个结点的组合数，即 （1.1） 一般N很大，例如1摩尔原子的晶体中，N就是阿夫加德罗常数6.02251023，所以计算阶乘时可以采用斯特林(Stirling)近似公式，即 lnN!=NInN-N （1.2） 故组态熵为 （1.3）如果用摩尔分数表示成分，则上式为 （1.4） 式中，Nk=R=8314Jmol-1K-1，即气体常数；cB摩尔分数，cB=NB/N。cB与（1-cB）都是小于1的正数，故它们的对数都是负的，所以组态熵Sm为正值。进一步推广，当固溶体由几种原子组成时，其组念熵Sm(或混合熵Smix)为 Smix=-R(c1lnc1+c2lnc2+cnlncn) （1.5）当c1=c2=cn，会得到很高的混合熵。 （2）高熵合金的界定如果合金的组元都是等摩尔比例，则根据式(1.5)，合金的混合熵随着合金主元的个数的变化而变化的趋势如图1.1，可见，随着合金元素个数的增加，合金的混
