1、灰铸铁基体表面熔渗高熵合金组织及性能研究摘要：高熵合金是20世纪90年代提出的，人们致力于寻找具有超高玻璃化形成能力的合金。有人认为非晶或玻璃的原子混乱度高或熵高，而高熵必然导致高的玻璃化形成能力，所以提出混乱理论。但是，后来有学者发现高熵和高的玻璃化形成能力并不一致，倒是发现有些高混合熵合金可以形成单相固溶体。对此，叶均蔚等学者认为这种固溶体是高混合熵稳定的固溶体，因此命名为高熵合金。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
2、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。金属表面涂层技术可用于提高零件的耐腐蚀、摩擦、磨损和疲劳等，将具有优良机械性能的高熵合金用于金属表面涂层，是金属表面处理的一个新的研究方向。为此，本文通过对比实验，研究高熵合金熔渗在不同金属基体材料上获得的熔渗层的组织和性能,进行了以下实验：高熵合金在灰铸铁基体表面熔渗工艺实验，熔渗高熵合金的显微组织观察，硬度、耐磨性等力学性能实验。关键词：高熵合金，涂层技术，表面溶渗Gray cast iron substrate surface aluminized high entropy alloy organization and perform
3、ance studyAbstract：High entropy alloys is put forward in the 1990 s, people looking for a high glass forming ability of alloys. Some people think that amorphous or glass atomic disorder degree is high, or high entropy, whereas high entropy inevitably leads to high glass forming ability, so the chaos
4、 theory is put forward. Later, however, some scholars found that the high entropy and high glass forming ability, but found that some high entropy of mixing single-phase solid solution alloy can be formed. Both the Ye Junwei and other scholars believe that the solid solution is the high entropy of m
5、ixing and stable solid solution, so named high entropy alloys.As a new type of alloy material, high entropy alloys exhibit many excellent characteristics, including high hardness, strength, good thermal stability and corrosion resistance and good plastic toughness is its salient features. More princ
6、ipal high entropy alloys with traditional alloy different characteristics, and through different element collocation can obtain a wide variety of new type alloy, therefore has rich application potential and broad application prospects.Metal surface coating technology can be used to improve the corro
7、sion resistance of parts, friction, wear and fatigue, etc., will have good mechanical properties of high entropy alloys used for metal surface coating, metal surface treatment is a new research direction. Through comparative experiments, this paper, the study of high entropy alloy melt infiltration
8、on different metal matrix materials for the organization and properties of aluminized layer, the following experiments: high entropy alloys in gray cast iron substrate surface melt infiltration process experiment, aluminized high entropy alloy microstructure observation, mechanical properties such a
9、s hardness, wear resistance experiments.Keywords: high entropy alloys, coating technology, surface permeability目 录1前言11.1高熵合金的概念11.2高熵合金的组织结构11.3高熵合金的性能特点11.4高熵合金的制造工艺31.4.1真空电弧熔炼技术31.4.2磁控溅射技术41.4.3机械合金化技术41.4.4热喷涂技术41.5高熵合金的应用41.6高熵合金的研究现状71.7涂层技术71.7.1涂层技术简介71.7.2涂层技术应用81.8高熵合金涂层102熔渗高熵合金试样的制备112
10、.1配置高熵合金112.2粘结剂的配置112.3熔渗高熵合金试样的制备112.4高熵合金试样制备使用仪器113基体熔渗高熵合金工艺及组织研究123.1基体材料成分、组织、性能介绍123.1.1灰铸铁基体成分简介123.1.2灰铸铁性能简介123.1.3基体材料的显微组织133.2热处理炉加热熔渗高熵合金工艺143.3感应加热熔渗高熵合金工艺163.3.1感应加热器原理163.3.2感应加热器特点173.3.3八组元感应加热熔渗效果183.3.4五组元感应加热熔渗效果184.1.5维氏硬度试验操作步骤254.1.6维氏硬度试验注意事项264.2八组元感应加热力学性能264.3五组元感应加热力学性
11、能27结论29参考文献30致谢3238太原工业学院毕业设计1前言1.1高熵合金的概念目前，高熵合金一般可以被定义为由五个以上的元素组元按照等原子比或接近于等原子比合金化，其混合熵高于合金的熔化熵，一般形成高熵固溶体相的一类合金。简言之，五元合金相图中，在中间位置存在固溶体相区，这种固溶体目前认为是混合熵稳定的固溶体。“高熵合金”的概念由台湾学者叶均蔚于1995年提出。高熵合金含有多种主要元素，且其中每种主元均具有较高摩尔分数但不超过35。因此没有一种元素含量能占50以上。这种合金是由多种元素一起表现特色摆脱了传统合金以一种金属元素为主的观念。一般认为合金元素种类较多时，易发生金属间化合物使合金
12、性能变差的现象。Gibbs相律认为由n种元素组成的合金系统所能产生的平衡相数pn1。而当非平衡凝固时形成的相数pn+1。然而叶均蔚对高熵合金的研究结果与此不一致，发现多主元高熵合金凝固后所得相数p远小于n+1，且合金中不仅没有形成数目众多的金属间化合物，反而形成了简单的结晶相甚至非晶质，这一特性决定了高熵合金具有广阔的应用空间。51.2高熵合金的组织结构和传统多主元合金可能形成种类繁多的金属间化合物及复杂相相比，高熵合金的显微结构是各种元素互溶形成的单一结构，如简单体心立方结构和简单面心立方结构。 在铸态和完全回火状态下，高熵合金能够析出纳米相和非晶质强化合金多项力学性能、电化学性能和物理性能
13、。1.3高熵合金的性能特点高熵合金和传统合金在性能上相比，最显著的特点就是高熵合金可以同时拥有极高的硬度、耐热性及耐蚀性。而据现在所知的任何一种传统合金都不能在熔铸后集这三种性能为一体。18（1）高强度与硬度高熵合金具有较高的硬度和强度。研究发现，多数高熵合金的铸态组织硬度为600 900HV，相当于或者大于碳钢及合金碳钢完全淬火硬化后的硬度 ；改变合金元素的含量，还可进一步提高合金的硬度。（2）良好的耐磨性高熵合金具有良好的耐磨性。研究AlxCoCrCuFeNi高熵合金的粘着磨损行为时发现，随着Al元素的增加，合金的硬度提高，磨损机制为氧化磨损，在合金表面形成的氧化膜有助于抵抗磨损。当铝的含
14、量较低时(x=0.5)，合金由简单的面心立方（FCC）结构组成，x=1.0时，形成面心立方和体心立方(BCC)的混合结构；在磨损的表面，FCC区域有深的磨损凹槽，而BCC区域是光滑的，在光滑区域，虽然已经发生氧化磨损，但以层状磨损为主；当铝含量较高时(x=2.0)，合金的硬度提高，产生氧化磨损，氧化膜有助于抵抗磨损，故合金的抗磨损性能提高。（3）良好的塑性和韧性高熵合金具有良好的塑性和韧性，特别是当合金具有单一面心立方相时，具有非常好的塑性，合金塑性与合金中面心立方相的数量比成一定的正比关系。合金FeCoNiCrCuAl0.5经50%压缩率冷压（即冷压合金时的塑性变形量达到50%）后，非但没有
15、出现任何裂纹，反而在枝晶内部出现了纳米结构，大小约数纳米到数十纳米，合金硬度得到进一步提升；AlCoCrFeNiTi1.5在32%以内的压缩率内冷压，也表现出非常好的延展性。在合金AlXCoCrCuFeNi的研究中，合金的晶粒尺寸越小，单位体积内晶界面积增加越多，晶界面积的增加就使晶界滑动及其协调过程更加容易进行，晶界迁移、晶界滑移有助于塑性变形过程中的应力松弛、塑性提高。（4）耐热性研究发现，大部分高熵合金具有比组成元素更高的熔点，高温下具有极高的硬度和强度。由于高熵合金混乱度大，再加上在高温下混乱度变得更大，高熵合金无论是结晶态还是非晶态都会变得更加稳定，仍然存在固溶强化效应，可获得极高的高温强度。有研究表明高熵合金具有耐回火软化性能，在1000退火、24h炉冷到室温后，其硬度几乎没变化，甚至有析出硬化特性。Al0.3CoCrFeNiC0.1高熵合金在 700 1000时效处理72h后，合金硬度非但没有下降，反而有不同程度的提升。而传统合金如碳钢淬硬化后有明显的软化现象，耐高温的高速钢也会在550时发生软化。（5）耐腐蚀性高熵合金有良好的耐腐蚀性能。例如AlFeCuCoNiCrTiX高熵合金在0.5mol/L的硫酸（H2SO4）溶液中的耐腐蚀性要优于304不锈钢
