H13 鋼表面激光熔覆 Al0.8CoCr0.23FeNixW 高熵合金涂層及其性能前言 H13鋼，又稱熱作模具鋼，廣泛應(yīng)用于熱鍛模、熱擠壓模及壓鑄模等領(lǐng)域。然而，在高溫、高壓及高磨損的工作環(huán)境下，H13鋼的表面易發(fā)生磨損、熱疲勞及氧化等問(wèn)題，嚴(yán)重影響模具的使用壽命和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，開(kāi)發(fā)有效的表面改性技術(shù)，提高H13鋼的表面性能，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。 高熵合金（HEAs）作為一類新型金屬材料，其設(shè)計(jì)理念打破了傳統(tǒng)合金以一種或兩種元素為主的觀念，通過(guò)等原子比或接近等原子比混合五種或五種以上的金屬元素，形成具有簡(jiǎn)單固溶體相結(jié)構(gòu)的合金。 激光熔覆技術(shù)利用高能激光束作為熱源，將預(yù)置在基體表面的合金粉末快速熔化并與基體形成冶金結(jié)合，從而在基體表面形成一層具有特定成分和結(jié)構(gòu)的涂層。
本文旨在探討H13鋼表面通過(guò)激光熔覆技術(shù)制備的Al-Co-Cr-Fe-Ni-xW（W為鎢元素，x為變量）高熵合金涂層的組織結(jié)構(gòu)、相組成、顯微硬度及耐磨性能。高熵合金以其獨(dú)特的性能組合，如高強(qiáng)度、高硬度、良好的耐磨性和耐腐蝕性，在材料科學(xué)領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。激光熔覆作為一種先進(jìn)的表面改性技術(shù)，能夠精確控制涂層成分與結(jié)構(gòu)，從而顯著提升基體材料的性能。 實(shí)驗(yàn)材料制備 基體材料選用H13鋼，其化學(xué)成分和力學(xué)性能符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。熔覆材料為自行設(shè)計(jì)的Al-Co-Cr-Fe-Ni-xW高熵合金粉末，通過(guò)單質(zhì)粉末機(jī)械合金化法制備，確保各元素分布均勻。
試驗(yàn)結(jié)果與討論 涂層相組成與微觀組織 XRD分析結(jié)果顯示，Al-Co-Cr-Fe-Ni-xW高熵合金涂層主要由BCC（體心立方）固溶體相和少量FCC（面心立方）相組成。隨著W含量的增加，BCC相逐漸增多，F(xiàn)CC相相應(yīng)減少。SEM觀察發(fā)現(xiàn)，涂層組織致密，無(wú)明顯氣孔和裂紋等缺陷。EDS分析進(jìn)一步證實(shí)了涂層中各元素的均勻分布。 圖1展示了不同W含量下Al-Co-Cr-Fe-Ni-xW高熵合金涂層的XRD圖譜。從圖中可以清晰地看到BCC相和FCC相的特征峰隨W含量變化的趨勢(shì)。 圖2為SEM觀察到的涂層微觀組織形貌圖。圖中顯示了涂層致密的組織結(jié)構(gòu)和均勻的晶粒分布。隨著W含量的增加，晶粒尺寸有所減小，但變化不明顯。
顯微硬度 顯微硬度測(cè)試表明，Al-Co-Cr-Fe-Ni-xW高熵合金涂層的顯微硬度顯著高于H13鋼基體。隨著W含量的增加，涂層的顯微硬度呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)。當(dāng)W含量達(dá)到一定值時(shí)，涂層的顯微硬度達(dá)到最大值。這主要是由于W元素的加入提高了涂層的固溶強(qiáng)化和晶格畸變效應(yīng)，從而增強(qiáng)了涂層的硬度。然而，過(guò)高的W含量可能導(dǎo)致涂層中出現(xiàn)脆性相，降低涂層的綜合性能。 圖7展示了不同W含量下涂層的顯微硬度和耐磨性能數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)比可以看出，隨著W含量的增加，涂層的顯微硬度先增后減，而耐磨性能則持續(xù)提高。當(dāng)W含量達(dá)到某一最優(yōu)值時(shí)，涂層的綜合性能最佳。
耐磨性能 摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果顯示，Al-Co-Cr-Fe-Ni-xW高熵合金涂層的耐磨性能明顯優(yōu)于H13鋼基體。在相同的試驗(yàn)條件下，涂層的磨損量遠(yuǎn)低于基體。這主要?dú)w因于涂層的高硬度和良好的組織結(jié)構(gòu)。高硬度使得涂層在摩擦過(guò)程中能夠抵抗磨粒的切削和犁削作用；而良好的組織結(jié)構(gòu)則有助于減少涂層內(nèi)部的裂紋和剝落現(xiàn)象，提高涂層的耐磨壽命。 結(jié)論 Al0.8CoCr0.23FeNixW（x=0，0.25，0.5，0.75，1）涂 層的組織性能隨著 Ni 含量的增加，富鎢 BCC2 相不斷分解，F(xiàn)CC相逐漸生成，最終導(dǎo)致沿著其生長(zhǎng)方向形成帶狀晶界相。 800 ℃下保溫 8 h 后，高熵合金熔覆層相較 H13 鋼基體材料仍具有較高的硬度和較低的磨損率，Ni與W元素的添加有利于提高其耐高溫穩(wěn)定性和耐磨性，體現(xiàn)了涂層優(yōu)異的抗回火軟化性能。 參考文獻(xiàn)： 【H13 鋼表面激光熔覆 Al0.8CoCr0.23FeNixW 高熵合金涂層及其性能】 單華亮 陶美悅 莊文晨 曹志強(qiáng) |
