铝基表面激光沉积FeCoNiCr多主主元涂层制备技术研究

铝基表面激光沉积FeCoNiCr多主主元涂层制备技术研究

李彦洲1，2，陈荣娜2

1.皖西学院机械与车辆工程学院 安徽省 六安市 237000  2.六安恒源机械有限公司博士后科研工作站 安徽省 六安市 237000

摘要：

论文主要为铝合金表面直接激光沉积制备FeCoNiCr系高熵合金基复合材料涂层研究工作，包括FeCoNiCr高熵合金与基材界面形成机理、高熵合金主元成分及改性元素对涂层组织、相结构、摩擦磨损和耐腐蚀性能调控机制。旨在解决传统涂层材料应用在铝合金表面难以调控复杂金属间化合物在涂层中生成、原位合成高熵合金难以获得组织均匀涂层、新材料与激光沉积工艺匹配性等技术问题。

关键词：激光沉积；FeCoNiCr；高熵合金；铝合金

1.引言

   铝合金(Aluminum)具有密度低、比强度高和易于获取等优点，已成为机械结构轻量化设计首选材料[1-2]。然而其表面硬度较低、耐磨性较差且易被腐蚀，在某些领域范围内限制了其应用。如目前军用、民用舰船为满足海外军事行动及远洋贸易的长里程航行需求，其构件多采用铝合金设计，但对船舰水面或水下防护板而言，在受风浪、潮汐、水下爆炸等作用，其表面易萌生裂纹、断层，其延伸扩展会导致护板整体断裂，严重影响舰船的安全指数和服役寿命。因而，为同时满足机械装备材料具有结构轻量化和高表面性能需求，开发一种适合于铝合金表面改性的涂层技术具重要意义。由于铝更倾向于与大多数单主元合金反应后形成硬脆金属间化合物，导致涂层开裂，因此本项工作聚焦于多主元合金，涂层主要为FeCoNiCr沉积工作。

2.材料及制备工艺

试验基板选择5083铝合金。试块表面氧化物层最初通过砂纸去除，随后通过用无水乙醇进行超声清洗。用到的参数包括光斑直径Φ1.2 mm、激光功率1750~1950 W、频率30~50 Hz、占空比70 %、扫描速度120 mm/min、送粉率5.6 g/min、搭接率27 %~30 %。

3.结果及讨论

3.1 外观形貌

图1为激光熔覆测试样件。涂层表面光滑连续，为发现明显缺陷。dai氢氟酸腐蚀后，可在基板附近界面处观察到热影响区，通过王水腐蚀可观察到HEA涂层微观结构。，

图1 FCC涂层的表面和横截面

3.1 XRD结果

   图2为涂层的XRD结果显示，FeCoNiCr为FCC相，与熔铸态结果相一致。主要差异是在于不同原子比，FCC相合金和BCC相合金中含Al量不同，是铝添加显著地限制了液体可过冷程度，同时也扩大了晶格体积。同时FCC相高熵合金过冷度达到215 K,相同的铸态实验装置所研究的FCC成分和BCC相成分最大T也呈正相关。

图2 FeCoNiCr多主元合金

3.3硬度

在硬度试验中，FCC相平均硬度远低基材，这主要是因为FCC相可给晶格畸变提供空间大。对于高熵合金涂层，随着涂层中原子混合比增多，硬度增大。涂层硬度提高机制是因为涂层中形成了较硬的固溶体，且在组织中呈弥散分布，根据E.Orowan提出的硬度强化机，硬质相可阻碍原子间的位错运动，提高合金硬度。相比于之前研究的Ti元素添加涂层，Ti0.2涂层主要为FCC相，因此硬度较低。Ti0.5涂层有较硬的B2相颗粒析出，第二相强化作用使涂层硬度提高。Ti0.8涂层有大量Laves相生成，较强的共价键使Laves具有高硬度特点，因此涂层硬度进一步提高。结合前文分析结果，对比变Al成分AlxCrFeCoNiCu高熵合金涂层硬度强化机制。添加少量Al或Ti后，各涂层硬度提高均依靠固溶强化机制；而当Al增加至0.7时，AlxCrFeCoNiCu高熵合金的主相结构演化为BCC相，硬提高依靠相变强化机制，而当Ti增加至0.5时，AlCrFeCoNiCuTix高熵合金涂层硬度提高主要依靠弥散强化和析出强化机制。

3.4 磨损试验

MM200型摩擦磨损试验机在98 N的载荷下测定了试样干滑动摩擦磨损性能。转速和试验时间分别为400 r/min和30 min。摩擦副为GCr15钢环，硬度为61 HRC，直径为50 mm，厚度为10 mm。通过磨损试验，可以得出以下结论：与基体材料相比，涂层样品磨损较少，表明基体材料遭受严重磨损。这些结果进一步证实了各成分多主元层表面耐磨性较基体增强。为检查涂层的磨损机制，对磨损轨迹进行严格检查。涂层销上磨损轨迹形态方面分析，所有涂层试样均观察到深槽、微犁和微切削痕迹。而由基材制成的销形成的轨迹更平滑。这是由于涂层中形成的FCC/BCC和其他硬金属化物和氧化物的磨损。仅在较软的基底材料情况下产生塑性变形，未显示任何槽或犁削材料，这表明了涂层的硬度和耐磨性要大于基材。

相比于之前研究额Ti0.2涂层，其磨损表面存在大面积的剥落和垂直于磨损方向的横向裂纹，表明试样在磨损试验过程中发生了粘着磨损和分层断裂，分层断裂的产生引起涂层磨损率增加。Ti0.5涂层磨损表面出现划痕和少量磨屑。并且部分材料表面沿剪切方向被延展拉长，出现类似于剪切带韧性断口特征。对磨损表面进行放大，可观察到磨损表面存在垂直于摩擦方向的横向裂纹，但裂纹周围并未出现明显的剥落层。Ti0.5涂层相结构主要由FCC基体相和弥散分布的B2相组成，在磨损过程中弥散分布的硬质相能够提高涂层整体的耐磨性。而摩擦副脱落的磨屑和涂层的硬质相在磨损过程中脱落会对表面产生犁削，在相对平整表面磨痕展现较为明显，但基体相仍然韧性较强，导致磨损表面出现韧性断裂的特征。此外，裂纹的周围并未出现明显的分层断裂现象，可推测此裂纹是在粘着磨损过程中形成的

4.结论

FeCoNiCr相多主元成分通过激光沉积成功地制备在了铝基材表面上，通过实验研究和表征制造的得出以下结论FeCoNiCr多主元合金为FCC相。FCC相涂层硬度最低，BCC相涂层硬度最高，FCC相中添加陶瓷可显著提高硬度，这主要是因为晶格畸变和硬质相的形成。所有涂层都比基材硬度高，铝合金表面激光制备的多主元相可显著改善基材的机械性能。

参考文献

[1] D.H. Jawad, A. Hosseinzadeh, G.G. Yapici, On the mechanical behavior ofaccumulative roll bonded lightweight composite, Mater. Res. Express 6(9) (2019).

[2] H. Tazari, M.H. Siadati, Nanocomposites of Al5083/SiC; strength and wear behaviors, Mater. Res. Express 6(10) (2019).

[3] Y.X. Li, P.F. Zhang, P.K. Bai, Z.Y. Zhao, B. Liu, Analysis of geometrical characteristics and properties of laser cladding 85 wt.% Ti15 wt.% TiBCN powder on 7075 aluminum alloy substrate, Materials 11(9) (2018).

李彦洲：1988年生，吉林省吉林市人，讲师，皖西学院机械与车辆与工程教师，安徽省六安恒源机械有限公司博士后科研工作站在读博士后，机械主要从事激光加工技术

陈荣娜：1987年生，六安市人，工程师，安徽省六安恒源机械有限公司总经理。

项目资助: 2021年校级科研项目（WXZR202116）, 2021年度安徽高校科学研究项目（KJ2021A0947）2021年皖西学院高层次人才自然科学科研启动费（WGKQ2021068），吉林省教育厅科学技术研究项目（项目号：JJKH20210219KJ）；皖西学院校级质量工程（wxxy2021075），皖西学院校级质量工程（wxxy2021111）