20鋼基體表面熔滲高熵合金工藝及性能研究（太原）
20鋼基體表面熔滲高熵合金工藝及性能研究（太原）,20,基體,表面,熔滲高熵,合金,工藝,性能,機(jī)能,研究,鉆研,太原
畢業(yè)設(shè)計(jì)
20鋼基體表面熔滲高熵合金
工藝及性能研究
李鑫
102018105
學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)：
機(jī)械工程系
系 部：
材料成型及控制工程工程
專 業(yè)：
梁紅英
指導(dǎo)教師：
二〇一四年六月
誠(chéng)信聲明
本人鄭重聲明：本論文及其研究工作是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下獨(dú)立完成的，在完成論文時(shí)所利用的一切資料均已在參考文獻(xiàn)中列出。
本人簽名： 年 月 日
畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)
設(shè)計(jì)題目： 20鋼基體表面熔滲高熵合金工藝及性能研究
系部： 機(jī)械工程系 專業(yè)： 材料成型及控制工程 學(xué)號(hào)： 102018105
學(xué)生： 李鑫 指導(dǎo)教師（含職稱）： 梁紅英（副教授）專業(yè)負(fù)責(zé)人： 趙躍文
1．設(shè)計(jì)的主要任務(wù)及目標(biāo)
1）掌握高熵合金的概念、性能特點(diǎn)、制造工藝。
2）完成高熵合金在20鋼基體表面熔滲工藝實(shí)驗(yàn)。
3）各種實(shí)驗(yàn)條件下獲得的熔滲高熵合金試樣的制備。
4）各種實(shí)驗(yàn)條件下獲得的熔滲高熵合金的顯微組織觀察。
5）完成各種實(shí)驗(yàn)條件下獲得的的硬度、耐磨性等力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)。
通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)取得表面熔滲高熵合金的合適工藝參數(shù)、獲得顯微組織照片及力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
2．設(shè)計(jì)的基本要求和內(nèi)容
1）查閱20篇以上的科技文獻(xiàn)。
2）完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)任務(wù)。
3）完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的開(kāi)題答辯、中期檢查。
4）按照畢業(yè)論文的撰寫(xiě)要求完成畢業(yè)論文、參加答辯。
3．主要參考文獻(xiàn)
[1]劉源,李言祥,陳祥,陳敏.多主元高熵合金研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào),2006,04:6-14.
[2]郭衛(wèi)凡.多主元高熵合金的研究進(jìn)展[J].金屬功能材料,2009,01:49-53.
[3]周美玲,謝建新,朱寶泉.材料土程基礎(chǔ)[M].北京:北京土業(yè)大學(xué)出版社,2004:42-43.
[4]葉均蔚,陳瑞凱,林樹(shù)均.高熵合金的發(fā)展概況[J].工業(yè)材料雜志,1994,224:71-79.
4．進(jìn)度安排
設(shè)計(jì)各階段名稱
起 止 日 期
1
查閱科技文獻(xiàn)，完成開(kāi)題答辯
2014年3月3日—2014年3月16日
2
高熵合金表面熔滲工藝實(shí)驗(yàn)
2014年3月17日—2014年4月13日
3
表面熔滲高熵合金顯微組織觀察
2014年4月14日—2014年5月11日
4
表面熔滲高熵合金力學(xué)性能試驗(yàn)
2014年5月12日—2014年6月1日
5
整理資料，撰寫(xiě)論文，準(zhǔn)備答辯
2014年6月2日—2014年6月10日
20鋼基體表面熔滲高熵合金工藝及性能研究
摘要：高熵合金作為新近發(fā)展起來(lái)的合金體系，打破了傳統(tǒng)合金以一種元素為基的格局，具有獨(dú)特的組織結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)。高熵合金由五種及以上金屬元素組成，每種元素都具有較高的原子百分比，在50%-35%之間。
這種合金的突出特點(diǎn)是具有高熵效應(yīng)，高熵效應(yīng)的影響使高熵合金具有許多有別于傳統(tǒng)合金的組織和性能特點(diǎn)，往往表現(xiàn)出顯微結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化、納米析出物及非晶結(jié)構(gòu)、納米晶粒等組織特征和高強(qiáng)度、高硬度、耐磨、耐腐蝕等性能特點(diǎn)。
表面涂層技術(shù)是改善模具使用性能的重要手段。目前已開(kāi)發(fā)了多種涂層材料以適應(yīng)模具不同的使用條件，成形技術(shù)也取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。對(duì)模具表面涂覆高熵合金獲得涂層的技術(shù)有很高的研究和使用價(jià)值，可以充分利用高熵合金的高硬度、高耐磨性等力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)，提高模具的使用壽命，降低制造成本，是今后模具表面涂層技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)。
本論文選取Al、Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti、Si八種常用的金屬元素，將該系列高熵合金涂覆到各基體表面，通過(guò)電加熱爐加熱、感應(yīng)加熱使高熵合金與基體更好的結(jié)合，獲得在20鋼基體表面熔滲高熵合金的合適工藝參數(shù)，通過(guò)電子顯微鏡的觀察獲得顯微組織照片，通過(guò)性能測(cè)試獲得力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
關(guān)鍵詞：高熵合金，涂層，硬度
20 steel substrate surface aluminized high entropy
alloys technology and performance study
Abstract：High entropy alloy, as a new developing alloy system, breaks through the traditional alloy design frame work which is based on one major alloy element. In addition, it presents especial microstructure and novel properties. High一 entropy alloy contains five or more elements, each element has a high percentage of atoms between 50% and 35%. It is an alloy of the salient' characteristics of high-entropy effect. Because of the high-entropy effect. high-entropy alloys has many different microstructure and performance characteristics from traditional alloys. High-entropy alloys often show the microstructure of simplification, nano separation material and amorphous structure, nano-grain characteristics and the performance of high strength, high hardness, wear resistance, corrosion resistance etc.
Mould surface coating and its forming technology is an important method of improving mould operating performance.Various coating materials have been developed to adapt to the different requirements of moulds and thus the forming technology has also made great progress. By analyzing the current situation of mould coating forming technology and its applications, the author points out that the development targets to the mould coating materials and its processing would focus on the optimize the coating materials design, increase the producting efficiency and lowering the manufacturing cost.
This paper picks Al、Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti 、Si eight commonly used metals. this series of high entropy alloys coating to the substrate surface, through the electric heating furnace, induction heating, keeping better combination of high entropy alloys and matrix, obtained in 20 steel substrate surface melt infiltration of high entropy alloys suitable process parameters of microstructure were obtained through the observation of electron microscope photos, mechanical properties of experimental data obtained through performance test.
Keyword：high entropy alloys，coating，hardness
目 錄
1 前言 1
1.1 多主元高熵合金的定義 1
1.2 多主元高熵合金的結(jié)構(gòu)特征 1
1.3 多主元高熵合金的性能特點(diǎn) 2
1.4 多主元高熵合金的制備工藝 3
1.4.1 真空熔煉法 3
1.4.2 磁控濺射法 4
1.4.3 機(jī)械合金化法 4
1.4.4 電沉積法 4
1.4.5 其他方法 4
1.5 多主元高熵合金國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 4
1.6 高熵合金可應(yīng)用的領(lǐng)域 5
1.6.1 高速切削用刀具 5
1.6.2 各類工、模具 6
1.6.3 高爾夫球頭 6
1.6.4 超高大樓的耐火骨架 7
1.6.5 化學(xué)工程、船舶的耐蝕高強(qiáng)度材料 7
1.6.6 渦輪葉片 7
1.6.7 電子器件、通訊領(lǐng)域 7
1.6.8 其它 7
1.7 涂層技術(shù) 8
1.7.1 高溫抗氧化涂層的基本要求 8
1.7.2 高溫抗氧化涂層的種類 9
2 熔滲高熵合金試樣的制備 11
2.1 配制高熵合金 11
2.1.1 合金元素的選擇及合金成分的設(shè)計(jì) 11
2.1.2 工藝路線 11
2.1.3 實(shí)驗(yàn)步驟及過(guò)程 12
2.2 粘結(jié)劑的配制 13
2.2.1 粘結(jié)劑的概念 13
2.2.2 粘結(jié)技術(shù)的特點(diǎn) 13
2.2.3粘結(jié)劑的組成 14
2.2.4 粘結(jié)劑的配制方法 14
2.3 熔滲高熵合金試樣的制備 14
2.3.1 常規(guī)金相試樣的制備 15
2.3.2 20鋼熔滲高熵合金試樣的制備 17
3 20鋼基體熔滲高熵合金工藝研究 20
3.1 20鋼的定義 20
3.2 20鋼材料的成分 20
3.3 20鋼組織 20
3.4 20鋼相關(guān)性能 21
3.4.1 特性 21
3.4.2 力學(xué)性能 22
3.4.3 許用應(yīng)力 22
3.5 20鋼用途 22
3.6熱處理爐加熱熔滲高熵合金工藝 22
3.6.1 工藝步驟 22
3.6.2 工藝溫度曲線 24
3.7 感應(yīng)加熱熔滲高熵合金工藝 24
3.7.1 感應(yīng)加熱的基本原理 24
3.7.2 感應(yīng)加熱的特點(diǎn) 26
3.7.3 感應(yīng)加熱新工藝 27
4 20鋼基體熔滲高熵合金組織及性能研究 29
4.1 硬度測(cè)試 29
4.1.1 維氏硬度計(jì)的原理 29
4.1.2 維氏硬度的表示方法 29
4.1.3 維氏硬度實(shí)驗(yàn)優(yōu)缺點(diǎn) 30
4.1.4 維氏硬度計(jì)的應(yīng)用 31
4.1.5 維氏硬度計(jì)的操作步驟 31
4.2 金相顯微組織觀察 32
4.2.1 操作步驟 32
4.2.2 注意事項(xiàng) 32
4.3 基體組織及性能 33
4.3.1 基體顯微組織 33
4.3.2 基體硬度測(cè)試 34
4.4 感應(yīng)加熱熔滲八組元高熵合金的組織及性能 36
4.4.1 感應(yīng)加熱熔滲八組元高熵合金的微觀組織 36
4.4.2 感應(yīng)加熱熔滲八組元高熵合金的力學(xué)性能 37
4.5 感應(yīng)加熱熔滲五組元高熵合金的組織及性能 39
4.5.1 感應(yīng)加熱熔滲五組元高熵合金的顯微組織 39
4.5.2 感應(yīng)加熱五組元熔滲高熵合金的力學(xué)性能 39
4.6 五組元熱處理爐加熱熔滲高熵合金的組織及性能 41
4.6.1 五組元熱處理爐加熱熔滲高熵合金的微觀組織 41
4.6.2 五組元熱處理爐加熱熔滲高熵合金的力學(xué)性能 41
4.7 組織比較與性能比較 43
4.7.1 組織比較 43
4.7.2 性能比較 43
結(jié)論 45
參考文獻(xiàn) 46
致謝 47
II
太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)
1 前言
1.1 多主元高熵合金的定義
多主元高熵合金由至少5種以上的主要元素構(gòu)成,混合熵對(duì)于這類合金而言,扮演了一個(gè)十分重要的角色。熵是熱力學(xué)上代表混亂度的一個(gè)參數(shù),一個(gè)系統(tǒng)的混亂度愈大,熵就愈大。根據(jù)Boltzmann關(guān)于熵變與系統(tǒng)混亂度關(guān)系的假設(shè),n種等摩爾元素混合形成固熔體時(shí)的熵變(配位熵):ΔSconf=R ln(n),當(dāng)n=2、3和5時(shí),ΔSconf分別為0.69R、1.10R和1.61R。如果考慮原子振動(dòng)組態(tài)、電子組態(tài)、磁矩組態(tài)等的正貢獻(xiàn),系統(tǒng)的熵變還要大。傳統(tǒng)合金以1種元素為主,其混合熵約小于每摩爾0.693R。為了與傳統(tǒng)合金有明顯的區(qū)別,且充分發(fā)揮多主元高亂度的效應(yīng),一般定義高熵合金的主要元素?cái)?shù)目n≥5。基于以上估算,如果將合金世界以混合熵來(lái)區(qū)分,傳統(tǒng)合金屬于低熵合金的范疇,中熵合金則介于高熵合金與低熵合金之間,此范疇主要是指主元素的個(gè)數(shù)為2～4。當(dāng)然上述定義只能視為大約的界線。
在新合金觀念下設(shè)計(jì)的高熵合金系統(tǒng)無(wú)以計(jì)數(shù),遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)合金,例如從周期表103種元素中的80種金屬元素中取13種常用的金屬元素配制成五元、六元、七元、八元、九元、十元、十一元、十二元、十三元合金,將可獲得7099種合金系統(tǒng)。對(duì)于每一種合金系統(tǒng)可設(shè)計(jì)成簡(jiǎn)單的等摩爾比合金,也可設(shè)計(jì)成非等摩爾比合金,當(dāng)然也可以添加次要元素來(lái)改良合金性能[1]。
1.2 多主元高熵合金的結(jié)構(gòu)特征
(1) 顯微結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化,不傾向于出現(xiàn)金屬間化合物
根據(jù)經(jīng)典的Gibbs相率,n種元素的合金系統(tǒng)的平衡相的數(shù)目p=n+1,在非平衡凝固時(shí)形成的相數(shù)p>n+1。按照傳統(tǒng)合金的特點(diǎn),人們都認(rèn)為多個(gè)主元素合金將產(chǎn)生多種金屬間化合物,惡化合金的機(jī)械性能。然而研究發(fā)現(xiàn)多主元高熵合金顯微組織中形成簡(jiǎn)單的體心立方或面心立方相或非晶質(zhì),不傾向于形成脆性的金屬間化合物,所得相數(shù)p遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于(n+1);他們把其原因歸結(jié)為高熵效應(yīng),高熵是多主元合金的特色,因二元、三元、四元、五元、六元的合金的混合熵ΔS分別為5.8、9.2、11.6、13.4、15.0 J·mol-1·K-1,高熵合金的混合熵高于傳統(tǒng)合金熔化時(shí)的熵(7～11 J·mol-1·K-1)。根據(jù)Gibbs自由能表達(dá)式:ΔGm= ΔHm-TΔSm,ΔHm、ΔSm分別是固溶體的形成熱焓和形成熵,T為溫度。高熵合金的相變與顯微結(jié)構(gòu)的變化的溫度是在500℃和1500℃之間,所以當(dāng)T為500℃、1000℃、1500℃時(shí),對(duì)應(yīng)的TΔSm為11.5 kJ·mol-1、18.9 kJ·mol-1、26.4 kJ·mol-1,其值大于ΔHm,故ΔG<0,元素能夠有效地混合形成合金;當(dāng)系統(tǒng)的混合熵大于形成金屬間化合物的熵變,就會(huì)抑制脆性金屬間化合物的出現(xiàn),促進(jìn)元素間混合形成簡(jiǎn)單的體心立方(BCC)或面心立方(FCC)結(jié)構(gòu);如果合金系統(tǒng)的混合熵效應(yīng)減弱,也會(huì)在形成BCC相內(nèi)析出金屬間化合物。
(2) 納米析出物與非晶質(zhì)結(jié)構(gòu)
高熵合金的微結(jié)構(gòu)的另一特點(diǎn)是傾向于納米化,甚至非晶化。高熵合金的這一特點(diǎn),研究者認(rèn)為主要與動(dòng)力學(xué)有關(guān),因?yàn)槎鄠€(gè)元素的擴(kuò)散和重分配會(huì)延后相的成核與成長(zhǎng),有利于納米相的形成。即使高熵合金在傳統(tǒng)熔解凝固的情況下,都會(huì)有納米相的分布;對(duì)于快速凝固和真空鍍膜,更會(huì)有納米化甚至非晶化的傾向。
(3) 納米晶粒
高熵合金經(jīng)加工后可得到納米晶粒。例如FeCoNiCrCuAl0.5高熵合金經(jīng)50%壓下率冷壓后,樹(shù)枝晶內(nèi)部出現(xiàn)納米結(jié)構(gòu),大小約數(shù)納米到數(shù)十納米。
1.3 多主元高熵合金的性能特點(diǎn)
(1) 高熵合金強(qiáng)度與硬度高
例如Al11.1(TiVCrMnFeCoNiCu)88.9合金的壓縮強(qiáng)度到達(dá)2.431GPa,這是固溶強(qiáng)化機(jī)制和結(jié)構(gòu)由FCC到BCC的轉(zhuǎn)變所致。高熵合金鑄態(tài)組織硬度為600～900HV,相當(dāng)于或者大于碳鋼及合金碳鋼的完全淬火硬化后的硬度;改變合金元素的含量,可以提高合金的硬度。
(2) 高熵合金大部分具有耐回火軟化特性
例如,在1000℃退火24 h爐冷到室溫,其硬度約相等,有時(shí)甚至有析出硬化特性,這與傳統(tǒng)合金不同,碳鋼淬硬化后再回火有明顯的軟化現(xiàn)象,耐高溫的高速鋼也在高于550℃溫度下發(fā)生軟化。而含有Cr或Al的高熵合金在高達(dá)1100℃的溫度下有優(yōu)異的抗氧化性能
(3) 高熵合金具有耐磨特性
研究AlxCoCrCuFeNi高熵合金的粘著磨損行為發(fā)現(xiàn):當(dāng)鋁的含量較低時(shí)(x=0.5),合金由簡(jiǎn)單的FCC結(jié)構(gòu)組成,x=1.0時(shí),形成FCC+BCC的混合結(jié)構(gòu);在磨損的表面,FCC區(qū)域有深的磨損凹槽,而B(niǎo)CC區(qū)域是光滑的,在光滑區(qū)域,雖然已經(jīng)發(fā)生氧化磨損,但以層狀磨損為主;當(dāng)鋁含量較高時(shí)(x=2.0),合金的硬度提高,產(chǎn)生氧化磨損,氧化膜有助于抵抗磨損,故合金的抗磨損性能提高。
(4)高熵合金具有優(yōu)異的耐蝕性
例如在室溫下Cu0.5NiAlCoCrFeSi高熵合金在1mol/L的NaCl和1mo/L的H2SO4溶液中總的抗腐蝕能力優(yōu)越于304型不銹鋼。如果高熵合金顯微組織中存在偏析,如FeCoNiCrCux高熵合金銅偏析于枝晶間,隨著銅含量的增加,合金在3.5%NaCl溶液中的局部腐蝕傾向也增大,這是因?yàn)楹辖鹬懈汇~區(qū)(枝晶間)和貧銅區(qū)(枝晶)形成活躍的原電池導(dǎo)致枝晶間區(qū)域先被腐蝕。
另外,高熵合金具有軟磁性及高電阻率,在高頻通訊器件方面有很大的應(yīng)用潛力。
高熵合金具有高強(qiáng)度、高加工硬化、耐高溫軟化、耐高溫氧化、耐磨性、耐腐蝕、高電阻率等性能,其特性優(yōu)于傳統(tǒng)合金。這些特性都源于高熵合金易形成固溶體、納米結(jié)構(gòu)與各元素混合的雞尾酒效應(yīng)。高熵合金源于中國(guó)臺(tái)灣,近期也受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注,如北京科技大學(xué)張勇教授課題組研制并研究AlCoCrFeNiTix高熵合金體系的力學(xué)性能,劍橋大學(xué)的Kim K B等也在研究等摩爾多主元合金［2］。
1.4 多主元高熵合金的制備工藝
臺(tái)灣學(xué)者首次制備高熵合金的方法是真空電弧爐熔鑄法,而后運(yùn)用磁控濺射方法制備多主元高功能合金鍍膜,近期印度的S.Varalakshmi等運(yùn)用機(jī)械合金化的方法也成功制備了AlFeTiCrZnCu高熵合金。高熵合金可以采用傳統(tǒng)的熔鑄、鍛造、粉末冶金、噴涂法及鍍膜法來(lái)制作塊材、涂層或薄膜,使其應(yīng)用多姿多彩［2］。
1.4.1 真空熔煉法
這是制備高熵合金最常用的方法,包括真空電弧熔煉法和真空感應(yīng)熔煉法.
真空電弧熔煉是在真空下,利用電極和坩堝兩極間電弧放電產(chǎn)生的高溫作為熱源,將金屬熔化，在坩堝內(nèi)冷凝成錠的過(guò)程。它的優(yōu)點(diǎn)是熔煉溫度高，可以熔煉熔點(diǎn)較高的合金，并且對(duì)于易揮發(fā)雜質(zhì)和某些氣體（如氫氣）的去除有良好的效果。
真空感應(yīng)熔煉的原理是熔煉爐中的感應(yīng)線圈通入交流電時(shí)產(chǎn)生交流磁場(chǎng)，交流磁場(chǎng)在爐內(nèi)的金屬爐料中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，因集膚效應(yīng)產(chǎn)生交流電流，爐料本身的電阻轉(zhuǎn)換成感應(yīng)熱使金屬熔化。它的優(yōu)點(diǎn)是可以一次性熔煉較多的合金，但無(wú)法熔煉高熔點(diǎn)的合金[3]。
1.4.2 磁控濺射法
磁控濺射法又稱為高速低溫濺射法，是一種十分有效的薄膜沉積方法，常用于微電子、光學(xué)薄膜、材料等領(lǐng)域的薄膜沉積和表面處理等。 它具有濺射速率高，基片溫度低，可控性和重復(fù)性好，鍍膜層與基材的結(jié)合力強(qiáng)，鍍膜層致密均勻，成份容易控制等優(yōu)點(diǎn)。到目前為止已有多篇關(guān)于利用磁控濺射法制備高熵合金的報(bào)道。
1.4.3 機(jī)械合金化法
機(jī)械合金化是用高能研磨機(jī)或球磨機(jī)實(shí)現(xiàn)固態(tài)合金化的方法，它是制備先進(jìn)固體材料的一種常用方法，是Benjamin及其合作者在20世紀(jì)60年代末為研制氧化物彌散強(qiáng)化(ODS)鎳基高溫合金而開(kāi)發(fā)的一種材料合成加工技術(shù)。
在高熵合金研究中，可利用機(jī)械合金化法來(lái)制備納米尺度合金粉體材料，或進(jìn)而采用粉末冶金的方式制備塊體材料。 目前已有文獻(xiàn)報(bào)道機(jī)械合金化法制備高熵合金的研究。
1.4.4 電沉積法
電沉積是一種在水溶性或有機(jī)溶性電解液中，將電源與浸沒(méi)在電解液中的陰陽(yáng)兩級(jí)相連接，通過(guò)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，金屬陽(yáng)離子在陰極基底上發(fā)生還原反應(yīng)析出致密純金屬或合金的方法。有關(guān)電沉積制備多主元高熵合金薄膜的文獻(xiàn)已見(jiàn)報(bào)道。
1.4.5 其他方法
除了以上制備方法外，還有文獻(xiàn)報(bào)道利用熱噴涂制備高熵合金薄膜和真空熔體快淬法制備高熵合金非晶薄帶?？梢?jiàn)，高熵合金既能用傳統(tǒng)方法也能用比較先進(jìn)的方法制備，使其應(yīng)用范圍很廣［4］。
1.5 多主元高熵合金國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
由于高熵合金是一個(gè)新合金世界,具有學(xué)術(shù)研究意義和很大的工業(yè)發(fā)展?jié)摿?。?huì)為合金業(yè)應(yīng)用帶來(lái)一場(chǎng)新的變革,為社會(huì)帶來(lái)新的效益。所以上世紀(jì)九十年代高熵合金的概念剛出現(xiàn)就受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。目前,國(guó)內(nèi)外有許多學(xué)者在研究高熵合金的理論及材料體系。
不過(guò),目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高熵合金的研究,主要集中在制備方法的研究,并且針對(duì)具體合金系,研究元素含量對(duì)合金組織、性能的影響。研究對(duì)象主要是在Al、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu和Zn等元素中選配的5~8元合金;所研究的性能主要是常規(guī)力學(xué)性能,如硬度、抗壓強(qiáng)度、耐磨性、耐蝕性等,其它性能研究相對(duì)較少,數(shù)據(jù)不多。微觀機(jī)理方面的研究尚未真正展開(kāi),僅清華大學(xué)和北京科技大學(xué)的學(xué)者做了少量探索。從研究成果來(lái)看,目前還是臺(tái)灣清華大學(xué)的研究處于領(lǐng)先地位,已有多項(xiàng)發(fā)明專利。
由于高熵合金擁有很多優(yōu)異的特性,并可通過(guò)適當(dāng)?shù)某煞衷O(shè)計(jì)進(jìn)行強(qiáng)化,其性能不亞于傳統(tǒng)合金,潛在的應(yīng)用前景十分廣泛。高摘合金的實(shí)際應(yīng)用除可利用其良好的力學(xué)性能外,還可利用其光學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)等各種物理、化學(xué)特性。例如:高硬度且耐磨耐高溫的工具、模具和刃具;高爾夫球頭的擊打面、油壓氣壓桿、鋼普及軋壓筒的硬面;高頻變壓器、馬達(dá)的各種磁性器件;工廠、輪船的耐蝕高強(qiáng)度材料;渦輪葉片、焊接材料、熱交換器及高溫爐的材料等.
高熵合金是一個(gè)全新的合金領(lǐng)域,它跳出了傳統(tǒng)合金的設(shè)計(jì)框架,是具有許多優(yōu)異性能的特殊合金系,是一個(gè)可合成、分析和控制的合金新世界,可以開(kāi)發(fā)出大量的高技術(shù)材料,而且可以采用傳統(tǒng)的熔鑄、鍛造、粉末冶金、噴徐法及鍍膜法來(lái)制作塊材、涂層或薄膜,對(duì)干傳統(tǒng)的鋼鐵產(chǎn)業(yè)而言,是一個(gè)新的發(fā)展方向。就實(shí)用性而言,若無(wú)法找到功能合適的傳統(tǒng)合金,高熵合金或許可以適用。高熵合金具有高強(qiáng)度、高加工硬化、耐高溫軟化、耐高溫氧化、耐磨性、耐腐蝕、高電阻率等性能,其特性優(yōu)于傳統(tǒng)合金。這些特性都源于高熵合金易形成固溶體、納米結(jié)構(gòu)與各元素混合的雞尾酒效應(yīng)。在不久的將來(lái),高熵合金的廣泛使用會(huì)為合金業(yè)應(yīng)用帶來(lái)一場(chǎng)新的變革,為社會(huì)帶來(lái)新的效益。
1.6 高熵合金可應(yīng)用的領(lǐng)域
1.6.1 高速切削用刀具
高熵合金具有較高的硬度和耐磨性。多數(shù)高熵合金的鑄態(tài)組織硬度為 600 ～900HV，相當(dāng)于或者大于碳鋼及合金碳鋼的完全淬火硬化后的硬度 ；改變合金元素的含量，還可進(jìn)一步提高合金的硬度。而且高熵合金還通常表現(xiàn)出很高的耐熱性，例如，Al0.3CoCrFeNiC0.1高熵合金在 700 ～1000℃時(shí)效處理 72h后，合金硬度非但沒(méi)有下降，反而有不同程度的提升。
普通高速鋼，如W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2的有效切削加工溫度在600℃以內(nèi)，溫度再高，刀具會(huì)明顯鈍化。此外，高速鋼刃具在獲得高硬度、高耐磨性的同時(shí)，犧牲了鋼材的塑性、韌性。鋼材塑性、韌性較差，則刀具常常出現(xiàn)折斷、崩刃等失效形式。
而高熵合金在獲得高硬度的同時(shí)，具有較好的塑性、韌性。例如，F(xiàn)eCoNiCrCuAl0.5經(jīng)50%壓下率冷壓（即冷壓合金時(shí)的塑性變形量達(dá)到50％）后，非但沒(méi)有出現(xiàn)任何裂紋，反而在枝晶內(nèi)部出現(xiàn)了納米結(jié)構(gòu)，大小約數(shù)納米到數(shù)十納米［5］，合金硬度得到進(jìn)一步提升 ；AlCoCrFeNiTi1.5在32%以內(nèi)的壓下率內(nèi)冷壓，也表現(xiàn)出非常好的延展性。這么大比例的壓下率，對(duì)于高速鋼來(lái)說(shuō)是不可想象的。故而高熵合金應(yīng)用于高速切削刀具的制造具有明顯的優(yōu)勢(shì)。
此外，磁控濺射法制備高熵合金鍍膜的成功，可以在普通鋼制刀具表面鍍上一層高熵合金薄膜，鍍膜厚度在 2.5μm以內(nèi)。這樣一來(lái)，既可以獲得良好的切削加工性能，又能節(jié)約成本。
1.6.2 各類工、模具
高熵合金具有高硬度、高耐磨性、高強(qiáng)度及優(yōu)良的耐高溫性能、耐蝕性，使之非常適合制備各類工、模具，尤其是擠壓模和塑料模。例如，AlCoCrFeNiTi1.5的抗壓強(qiáng)度高達(dá)2.22GPa，含有Cr或Al的高熵合金具有高達(dá)1100℃的優(yōu)異抗氧化性能。普通模具鋼則無(wú)法兼顧耐磨性、耐蝕性、耐高溫性及良好的塑性。
1.6.3 高爾夫球頭
高硬度、高耐磨性和較低的彈性模量，使高熵合金非常適合制作高爾夫球頭打擊面。高熵合金制成的高爾夫球頭，可以在保證球頭打擊面具有較長(zhǎng)使用壽命的同時(shí)，將球擊打得更遠(yuǎn)，從而提升產(chǎn)品檔次，增加產(chǎn)品附加值。
1.6.4 超高大樓的耐火骨架
美國(guó)“9·11”事件中，雙塔的整體坍塌很大程度上是因?yàn)榇髽枪羌茕摻钍軣岷髲?qiáng)度急劇下降，從而無(wú)法負(fù)荷大樓重量所致。隨著土地資源的緊缺，國(guó)內(nèi)外修建超高大樓的案例將越來(lái)越多，因而超高大樓的耐火安全性正引起人們?cè)絹?lái)越多的重視。
高熵合金具有極高的抗壓強(qiáng)度和優(yōu)良的耐高溫性能，用做超高大樓的耐火骨架，可以使大樓在發(fā)生意外火災(zāi)而導(dǎo)致樓體溫度較高時(shí)保持原有的承重能力，保證大樓的安全，減少人員和財(cái)產(chǎn)的損失。
1.6.5 化學(xué)工程、船舶的耐蝕高強(qiáng)度材料
高熵合金的耐蝕性優(yōu)異。室溫條件下，高熵合金Cu0.5NiAlCoCrFeSi在1mol/L的NaCl和0.5mol/L的H2SO4溶液中的耐蝕性比304不銹鋼（相當(dāng)于我國(guó)鋼號(hào)中的OCr18Ni9）還要好；CuAlNiCrTiSi合金在5%的HCl溶液中比304不銹鋼更加耐蝕，在10%的NaOH溶液中也遠(yuǎn)比A309鋁合金耐蝕。因此，高熵合金可廣泛用于耐高壓、耐腐蝕化工容器及船舶上的高強(qiáng)度耐蝕件。
1.6.6 渦輪葉片
高熵合金良好的塑性使其易于制成渦輪葉片，而其優(yōu)良的耐蝕性、耐磨性、高加工硬化率及耐高溫性能，可保證渦輪葉片長(zhǎng)期、穩(wěn)定地工作，提高服役安全性，減少葉片的磨損、腐蝕失效。
1.6.7 電子器件、通訊領(lǐng)域
高熵合金具有軟磁性及高電阻率，因而在高頻通訊器件中有很大的應(yīng)用潛力。可用以制作高頻變壓器、馬達(dá)的磁芯、磁屏蔽、磁頭、磁碟、磁光碟、高頻軟磁薄膜以及喇叭等。
1.6.8 其它
高熵合金集眾多優(yōu)異性能于一身，可以應(yīng)用的工業(yè)領(lǐng)域非常廣闊。除了上面提到的領(lǐng)域外，高熵合金還可用作焊接材料、熱交換器及高溫爐的材料等。高熵合金的非晶形成能力較強(qiáng)，某些高熵合金能在鑄態(tài)組織中形成非晶相。而傳統(tǒng)合金要獲得非晶組織，需要極大的冷卻速度將液態(tài)原子無(wú)規(guī)則分布的組織保留到室溫。非晶態(tài)金屬的研究是近年來(lái)才興起的，由于結(jié)構(gòu)中無(wú)位錯(cuò)，具有很高的強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性、耐蝕性及特殊的磁學(xué)性能等，應(yīng)用也極為廣泛。制備非晶態(tài)高熵合金無(wú)疑將進(jìn)一步擴(kuò)大高熵合金的應(yīng)用領(lǐng)域［6］。
1.7 涂層技術(shù)
涂層技術(shù)是利用制備于碳材料表面的抗氧化涂層隔絕基體與氧化性氣體直接接觸,從而達(dá)到抗氧化的目的。這種方法不以犧牲原碳材料自身優(yōu)異性能為代價(jià),且最終制備的復(fù)合材料的使用溫度高、壽命長(zhǎng),還可根據(jù)需要設(shè)計(jì)涂層結(jié)構(gòu)和成分,應(yīng)用性強(qiáng)。
1.7.1 高溫抗氧化涂層的基本要求
高溫抗氧化涂層作為材料的防護(hù)體系,在材料的應(yīng)用中作為部件的一部分與基體一樣承擔(dān)著一定的機(jī)械或化學(xué)性能,且它的化學(xué)物理變化也將影響整體部件的性能。因此在制備抗氧化涂層時(shí)必須考慮到應(yīng)用過(guò)程中,環(huán)境因素及涂層結(jié)構(gòu)中各個(gè)組成部分的相互影響,用于碳材料的高溫抗氧化涂層應(yīng)該具有以下幾項(xiàng)基本要求
（1）具有較低的氧氣滲透能力,能夠提供有效的防護(hù)屏障,以阻止氧氣在材料外界面和組織結(jié)構(gòu)內(nèi)部的擴(kuò)散;
（2）涂層與基體材料之間具有良好的化學(xué)與物理相容性、穩(wěn)定性和較高的粘結(jié)強(qiáng)度;
（3）涂層不能對(duì)氧化反應(yīng)有催化作用;
（4）涂層具有低的揮發(fā)性,以防止材料在高速氣流中或高溫條件下工作時(shí),涂層自身過(guò)度損耗而失效;
（5）涂層不能影響碳材料原有的優(yōu)異機(jī)械性能,避免組分間有害的相變發(fā)生,以免影響整體部件性能;
（6）涂層與基體材料之間具有良好的熱膨脹系數(shù)匹配和界面結(jié)合能力,以免在熱震或高溫氧化作用下開(kāi)裂或剝落;
（7）涂層致密,具有高溫自愈合能力,在出現(xiàn)裂紋時(shí)能夠封堵裂紋;
（8）具有良好的耐腐燭、耐沖擊性能,能夠滿足各種環(huán)境需求。
1.7.2 高溫抗氧化涂層的種類
到目前為止,國(guó)內(nèi)外對(duì)涂層的研究比較廣泛,涂層種類多種多樣,已經(jīng)研制的碳材料的涂層體系主要有玻璃涂層、金屬涂層、陶瓷涂層、復(fù)合涂層。
（1）玻璃涂層
玻璃涂層的抗氧化原理是借助玻璃在高溫下低點(diǎn)度和潤(rùn)濕性以及熱穩(wěn)性的特點(diǎn)來(lái)填補(bǔ)在材料服役時(shí)由于機(jī)械變形而產(chǎn)生的裂紋。除此之外,玻璃在高溫下具有很好的流動(dòng)性,在較高溫度下能夠封堵基體材料的孔隙,從而減少碳材料自身的氧化活性點(diǎn),提高其抗氧化性能。另一方面,娃酸鹽玻璃的氧滲透速率較低,對(duì)涂層抗氧化性能的發(fā)揮有促進(jìn)作用。李賀軍等人開(kāi)發(fā)的磷酸鹽涂層性能夠滿足700°C的長(zhǎng)期使用及900°C的上百次熱震試驗(yàn)。國(guó)外報(bào)道的含有 、鋅、鋰、鈉、銅元素氧化物的玻璃涂層的抗氧化能力已達(dá)到800°C。但是單層玻璃涂層在很高的溫度下的流動(dòng)性和揮發(fā)性大大限制了應(yīng)用,只能用于較低溫度下的氧化保護(hù)。
（2）金屬涂層
金屬涂層是利用具有低的高溫氧擴(kuò)散系數(shù)的高溶點(diǎn)金屬來(lái)提高材料的高溫抗氧化性能。來(lái)中紅等采用溶楽法在C/C復(fù)合材料表面制備Mo-Si系涂層,后經(jīng)氮?dú)馓幚淼玫組o-Si-N系抗氧化涂層,其抗氧化溫度達(dá)到1400℃。V. S.Terentieva等人成功制備的Mo-Si-Ti合金涂層可以在氧化性氣氛下經(jīng)受1775℃氧化2h,并且復(fù)合材料的性能及形貌不發(fā)生明顯的變化。
（3）陶瓷涂層
陶瓷涂層是利用高溫下Si02或反應(yīng)生成的Si02來(lái)填充涂層中的裂紋等缺陷,作為密封物質(zhì)來(lái)阻擋氧氣的滲入,降低材料的氧氣滲透能力,從而提高基體抗氧化性能。但是由于涂層與基體之間存在熱膨脹差異,單一的陶瓷涂層在高溫下容易產(chǎn)生裂紋,并且裂紋愈合效果不佳,使用受限。
（4）復(fù)合涂層
由于單一涂層材料往往難以滿足抗氧化性能的要求,因此涂層成分越來(lái)越趨于多元化、復(fù)合化。復(fù)合涂層能夠彌補(bǔ)單一涂層的眾多缺點(diǎn),從而得到廣泛的應(yīng)用。為滿足不同的性能要求,涂層成分更為復(fù)雜、更具針對(duì)性;在復(fù)合涂層中,各單一成分涂層的厚度越來(lái)越薄,并逐步趨于納米化;涂層工藝溫度越來(lái)越低,涂層工藝向更合理的方向發(fā)展。復(fù)合涂層是通過(guò)多種單一涂層結(jié)合使用充分取長(zhǎng)補(bǔ)短,以達(dá)到更好的抗氧化效果［7］。
2 熔滲高熵合金試樣的制備
2.1 配制高熵合金
與傳統(tǒng)合金相比,高熵合金是打破以某一元素為主的格局的全新理念合金,呈現(xiàn)多主元化。目前,國(guó)內(nèi)主要通過(guò)溶煉、粉末冶金、燒結(jié)等方法制備高摘合金,可選用的元素相當(dāng)廣泛,主要包括第四周期元素及Ge、Mo、Hf、Ag、B、Si等元素,有些學(xué)者把稀土元素作為添加劑加入到高摘合金中去,從而研究稀土元素對(duì)高炮合金性能、晶體結(jié)構(gòu)及顯微組織的影響,有利于推動(dòng)高熵合金的發(fā)展。
本實(shí)驗(yàn)主要是對(duì)Al-Cr-Co-Fe-Ni-Mo-Ti-Si(摩爾比為1:1:1:1:1:1:0.75:0.25)八組元高熵合金和Al-Cr-Co-Fe-Ni（摩爾比為1:1:1:1:1)五組元高熵合金的顯微組織、晶體結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。
2.1.1 合金元素的選擇及合金成分的設(shè)計(jì)
本文選用Al、Cr、Co、Fe和Ni五種元素,所選原材料均為高純金屬材料,其中Cr、Co、Fe、Ni四種元素為第四周期的副族元素,原子尺寸相近,有利于形成無(wú)限固溶體,合金自由能趨于最低,結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定,第三周期A1元素的原子半徑較大,并且其固溶度隨著溫度變化,在高溫和常溫下對(duì)其它元素固溶度的差異較大,A1元素的加入,可能引起合金的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變,產(chǎn)生固溶強(qiáng)化現(xiàn)象[8]。隨后，我們又加入Ti、Mo和Si元素配制成八主元高熵合金。對(duì)這倆種高熵合金進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。
2.合金成分設(shè)計(jì)及配料
實(shí)驗(yàn)試樣制備
硬度測(cè)試
金相組織觀察
1.2 工藝路線
圖 2.1 高熵合金工藝路線
2.1.3 實(shí)驗(yàn)步驟及過(guò)程
在制備高熵合金之前，根據(jù)元素摩爾質(zhì)量以及摩爾比換算出八組元高熵合金AlCrCoFeNiMoTiSi和五組元高熵合金AlCrCoFeNi所需稱量的純金屬的質(zhì)量。具體做法見(jiàn)表2.1和表2.2
表2.1 AlCrCoFeNi合金中各元素質(zhì)量
Al
Cr
Co
Fe
Ni
摩爾質(zhì)量（g/mol）
27
52
59
56
58.7
物質(zhì)的量（mol）
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
質(zhì)量（g）
13.5
26
29.5
28
29.35
表2.2 AlCrCoFeNiMoTiSi合金中各元素質(zhì)量
Al
Cr
Co
Fe
Ni
Mo
Ti
Si
摩爾質(zhì)量（g/mol）
27
52
59
56
58.7
96
48
28
物質(zhì)的量（mol）
1
1
1
1
1
1
0.75
0.25
質(zhì)量（g）
27
52
59
56
58.7
96
36
7
使用TN-100C型托盤(pán)扭力天平稱量?jī)艋蟮母呒兘饘俜勰瑢⒎Q好的各元素金屬放到干凈的鐵盒子里，用XSB—88型標(biāo)準(zhǔn)振篩機(jī)（見(jiàn)圖2.2）充分搖勻。將搖勻的高熵合金粉末裝入玻璃瓶中貼標(biāo)簽保存，以供后續(xù)實(shí)驗(yàn)使用。按照上述方法分別配制好AlCrCoFeNiMoTiSi和AlCrCoFeNi合金。
圖2.2 XSB—88型標(biāo)準(zhǔn)振篩機(jī)
表2.3 技術(shù)參數(shù)
篩具最大直徑
200MM
篩層疊高
400MM
回轉(zhuǎn)半徑
12.5MM
篩搖動(dòng)次數(shù)
221
震擊次數(shù)
147
上下震幅行程
5MM
定時(shí)范圍
0-60分鐘
電動(dòng)功率
0.37KW
電壓
380V
轉(zhuǎn)速
2800
重量
78KG
2.2 粘結(jié)劑的配制
粘結(jié)技術(shù)是一門(mén)獨(dú)立的邊緣學(xué)科.它采用新材料.新工藝.是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的一門(mén)新技術(shù)。它其有快速、牢固、經(jīng)濟(jì)及節(jié)能等特點(diǎn)?？纱娌糠帚T接、焊接和機(jī)械裝配等煩瑣工藝，既節(jié)省時(shí)間、費(fèi)用，同時(shí)對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率起很大作用。
2.2.1 粘結(jié)劑的概念
粘結(jié)技術(shù)使用的材料是粘結(jié)劑，又稱膠粘劑或粘合劑。它是既能把同種材料粘結(jié)在一起，也能將性質(zhì)截然不同的兩種材料枯結(jié)在一起。
2.2.2 粘結(jié)技術(shù)的特點(diǎn)
與鉚接、焊接、螺釘連接方法相比，粘結(jié)技術(shù)具有的優(yōu)點(diǎn)是:可以粘結(jié)不同性質(zhì)的材料和不能用鉚、焊方法連接的金屬薄板箔以及微型、異型等復(fù)雜工件;粘結(jié)接頭應(yīng)力分布均勻，有良好的抗疲勞強(qiáng)度;整個(gè)粘結(jié)接頭部分都承受負(fù)荷，因此力學(xué)強(qiáng)度較高;粘結(jié)接頭具有優(yōu)良的密封、絕緣和抗腐蝕性能，同時(shí)還能防止金屬發(fā)生電化學(xué)腐蝕;粘結(jié)工藝溫度低。
與鉚接、焊接、螺釘連接方法相比，粘結(jié)技術(shù)的缺點(diǎn)是:粘結(jié)接頭抗剝離強(qiáng)度、不均勻扯離強(qiáng)度和沖擊韌度較低;粘結(jié)質(zhì)量檢查困難;枯結(jié)劑的老化問(wèn)題，耐熱性差等。
2.2.3粘結(jié)劑的組成
天然粘結(jié)劑的組成比較簡(jiǎn)單，合成粘結(jié)劑大多是由多致成分混合配制而成。這些組成按其作用不同一般分為:基料、固化劑與硫化劑、增塑劑與增韌劑、稀釋劑與溶劑等.有的還加人其他附加劑。本實(shí)驗(yàn)選用松香和松節(jié)油以1:3比例配制粘結(jié)劑。
2.2.4 粘結(jié)劑的配制方法
（1）將固體松香打碎、碾磨成粉末，并用篩子篩出細(xì)小均勻粉末。
（2）用TN-100C型托盤(pán)扭力天平按1:3比例稱量所需松香和用量筒量取松節(jié)油。
（2）將松香緩慢的加入松節(jié)油中，并不斷攪拌至飽和溶液?？蛇m當(dāng)加熱，加快松香溶解速度。
2.3 熔滲高熵合金試樣的制備
金相試樣制備是通過(guò)取樣、磨光、拋光、侵蝕等步驟，使材料成為具有金相觀察要求的過(guò)程。制備的試樣必須具有清晰的視場(chǎng)和真實(shí)的組織形貌，為此必須采取一系列的措施以避免出現(xiàn)假象。如淬火試樣在制備過(guò)程中表面產(chǎn)生局部過(guò)熱而回火，或非淬火試樣表面局部過(guò)熱而淬火，都會(huì)使組織失真。拋光不當(dāng)會(huì)造成夾雜物、石墨等的脫落，在試樣表面上留下點(diǎn)坑或拖尾。拋光不當(dāng)還可能使試樣表面產(chǎn)生變形而干擾了組織的真實(shí)形貌。因此，試樣制備是非常重要的，試樣的選取也必須具有代表性。一般按研究?jī)?nèi)容或檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)(UB/T 13298一1991《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》)的規(guī)定選取并制備試樣。
取樣
磨光
拋光
侵蝕
圖2.3 金相試樣制備工序
2.3.1 常規(guī)金相試樣的制備
（1） 試樣的磨光與拋光
一般手工磨光操作過(guò)程如圖2.4所示。在磨光和拋光過(guò)程中，要特別注意的是:
圖2.4 手工磨制試樣示意圖
①手工細(xì)磨時(shí)，不管砂紙粗細(xì)，試樣磨過(guò)之后，砂紙上留下的整個(gè)痕跡顏色深淺要一致、寬度和試樣磨面大小相同，不要有弧線的痕跡出現(xiàn)。只有這樣才有可能保證整個(gè)磨面的平整，減少試樣倒棱現(xiàn)象，為組織評(píng)定，特別是表面處理表層組織評(píng)定打下良好基礎(chǔ)。
②拋光織物和拋光微粉的選擇根據(jù)各實(shí)驗(yàn)室實(shí)際條件的不同以及操作者的習(xí)慣而定。Cr2O3水懸浮液中滴幾滴鉻酸酐水溶液并和呢子配合拋光鑄鐵試樣，能很好的顯現(xiàn)石墨的顏色、形態(tài)。用帆布拋光表面處理的試樣，倒棱較小。帆布和Al2O3配合拋光鋁合金試樣，效果較好。金剛石高效噴霧劑和呢子配合，拋光所有的試樣，特別是硬度較高的試樣，如淬火以及淬火回火試樣，拋光時(shí)間短，2 min左右就可以使試樣表面劃痕基本去除。如果用不同的拋光盤(pán)分別對(duì)試樣進(jìn)行粗拋(使用W3.5高效噴霧劑)、精拋(用W1高效噴霧劑)，效果更佳。試樣拋光時(shí)間一般在3~5 min為宜。時(shí)間太短，磨光時(shí)留下的劃痕不能完全消除。時(shí)間太長(zhǎng)，試樣表面會(huì)由于硬粒子的脫落產(chǎn)生凹坑，對(duì)于材料較軟的試樣，有可能產(chǎn)生新的劃痕，就需要重新磨光。
③拋光試樣的自檢。拋光好的試樣，在自然光源下閃動(dòng)并目測(cè)試樣表面的劃痕方向，如果劃痕在試樣中心并互相平行，說(shuō)明拋光不徹底，需要繼續(xù)拋光;如果劃痕是互相垂直的，說(shuō)明磨光時(shí)后一道砂紙沒(méi)有把前一道砂紙留下的劃痕完全消除，若劃痕比較深并且很粗，試樣就需要重新磨光;如果試樣表面劃痕雜亂無(wú)章，說(shuō)明拋光時(shí)產(chǎn)生了新的劃痕，需要把拋光布取下清洗干凈再使用。
（2） 試樣的侵蝕
試樣侵蝕的時(shí)間長(zhǎng)短和材料、處理狀態(tài)、侵蝕劑的新舊程度等有關(guān)。侵蝕時(shí)間太短，顯微組織不能有效的顯示出來(lái)。侵蝕過(guò)度，顯微組織又模糊不清，對(duì)正確鑒別及準(zhǔn)確評(píng)定顯微組織都有很大的影響。侵蝕合適的試樣，其顯微組織應(yīng)該一目了然，觀察時(shí)給人一種清新舒適的感覺(jué)。
化學(xué)擦拭法侵蝕試樣的一般步驟為:水沖洗拋光試樣→擦酒精→試樣侵蝕→水沖洗試樣→擦酒精→吹干。第一道擦酒精是利用其浸潤(rùn)性，使侵蝕劑和試樣表面作用以達(dá)到侵蝕的目的;第二道擦酒精是利用其揮發(fā)性，使試樣表面的酒精很快蒸發(fā)以達(dá)到干燥的作用。試樣侵蝕后的顯微組織是否清晰，還和侵蝕時(shí)第二道擦酒精有著密切的關(guān)系。
對(duì)于鐵碳合金平衡組織來(lái)說(shuō)，含碳量依次由低到高，侵蝕時(shí)間由長(zhǎng)到短(工業(yè)純鐵的時(shí)間在20s左右，共析鋼以上的碳鋼的時(shí)間在10s左右即可)，試樣表面的顏色變化由銀灰色到花色(其他熱處理的碳鋼試樣約10s左右，顯微組織顏色為深灰色)。具體操作方法為:水沖洗試樣、擦酒精，然后把拋光好的試樣表面傾斜約450，用蘸有侵蝕劑的棉球擦拭試樣表面，不斷觀察其顏色的變化并在心里默計(jì)時(shí)間長(zhǎng)短，確認(rèn)侵蝕時(shí)間己到，立即用流動(dòng)水沖洗試樣，再擦酒精(這道工序是試樣表面干凈與否的關(guān)鍵)，用蘸有酒精的棉球自上而下慢慢擦拭侵蝕過(guò)的試樣表面，稍微用力(主要是擠出棉球中的酒精)，一邊擦拭，酒精一邊揮發(fā)，當(dāng)試樣表面擦拭完畢，酒精應(yīng)在極短時(shí)間內(nèi)完全揮發(fā)，然后先用電吹風(fēng)的涼風(fēng)吹干試樣表面，再用熱風(fēng)把試樣周圍吹干，最后置于光學(xué)顯微鏡下觀察組織[9]。嚴(yán)禁把表面潮濕的試樣放在顯微鏡下。
電吹風(fēng)吹干試樣時(shí)，由于其風(fēng)力小，所以需要的時(shí)間較長(zhǎng)。如果試樣表面遺留較多的酒精，對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，吹干后的試樣在觀察時(shí)常常會(huì)發(fā)現(xiàn)有一層淡藍(lán)色的薄膜或個(gè)別的花斑覆蓋在顯微組織上，這是酒精未能及時(shí)揮發(fā)而粘附在試樣表面的結(jié)果。要徹底消除這種現(xiàn)象的發(fā)生可采取如下措施:對(duì)于有條件的實(shí)驗(yàn)室，可購(gòu)置一臺(tái)小型空壓機(jī)，用壓縮空氣代替第二次擦酒精及電吹風(fēng)吹干試樣這兩個(gè)步驟，不但可以節(jié)約無(wú)水乙醇，還可使試樣在瞬間干燥，并能有效防比試樣表面產(chǎn)生花斑。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，這種方法對(duì)所有的金相試樣都有較好的效果。其操作步驟是:水沖洗拋光試樣一擦酒精一涂侵蝕劑一水沖洗試樣一空壓氣泵吹干試樣。由于從空壓機(jī)噴嘴出來(lái)的空氣壓力大，風(fēng)力也大，所以可以使試樣瞬間干燥，防止了一些制樣缺陷的產(chǎn)生[10]。
2.3.2 20鋼熔滲高熵合金試樣的制備
本次研究所用基體試樣是直接買的實(shí)驗(yàn)試樣，是已經(jīng)切好的基體，所以不需要取樣這一步。
（1） 用砂紙打磨基體試樣，目的是去除表面氧化層，待試樣表面光亮潔凈即可。
（2） 將打磨好的基體試樣放在煤油中清洗，最后再用吹風(fēng)機(jī)將基體材料徹底吹干。
（3） 將配制好的高熵合金粉末和粘結(jié)劑調(diào)成牙膏狀，均勻的涂抹在基體材料的表面上，涂層的厚度限制在1.0~2.0 mm之間。涂抹完成后要保證涂層平整，沒(méi)有涂層缺陷或涂層流失的現(xiàn)象。
（4） 把涂抹好的基體放入GQ70B型電熱恒溫干燥箱（見(jiàn)圖2.5）加熱烘干，烘干溫度控制在100C，烘干時(shí)間8h。
（5） 利用熱處理爐加熱熔滲工藝對(duì)試件加工處理。
（6） 利用感應(yīng)加熱熔滲高熵合金工藝對(duì)試件進(jìn)行處理。
（7） 粗磨。用粗砂紙打磨基體表面，待試樣表層平整、磨痕均勻一致后，粗磨即告完成。
（8） 細(xì)磨。用由粗到細(xì)的各號(hào)砂紙打磨基體表面，直至轉(zhuǎn)盤(pán)徑向往復(fù)移動(dòng)，直至被磨制平面上僅有單一方向的磨痕為止，至此，更換更細(xì)的砂紙，進(jìn)一步磨制。待基體表面光亮無(wú)明顯劃痕后，細(xì)磨完成。細(xì)磨的目的是將粗磨留下的較深磨痕去掉，為拋光工序做好準(zhǔn)備。注意，每次更換砂紙后，新的磨制方向必須保證與舊磨痕的方向垂直。當(dāng)舊磨痕完全去除后更換下一道砂紙，如此反復(fù)。一般而言，試樣磨制從240#到600#砂紙就可以了。
（9） 拋光。用PG—2D型金相試樣拋光機(jī)（見(jiàn)圖2.6）拋光試樣。拋光是為了消除試樣細(xì)磨時(shí)在磨面上留下的細(xì)微磨痕，使之成為光亮無(wú)痕的平整鏡面[11]。拋光的方法有機(jī)械拋光、電解拋光、化學(xué)拋光等，其中，機(jī)械拋光是現(xiàn)階段應(yīng)用最廣泛的拋光方法。拋光步驟分為粗拋和精拋兩步。拋光織物和磨料的選擇應(yīng)隨被檢試樣材質(zhì)及檢驗(yàn)?zāi)康牟煌煌?。如拋光較硬的材料—鋼鐵，粗拋常用帆布、呢綸等。精拋則用短毛細(xì)軟呢絨等。尤其是分析鋼中夾雜物或鑄鐵中石墨時(shí)，不能使用長(zhǎng)毛呢絨，用長(zhǎng)毛呢絨拋光會(huì)產(chǎn)生:“曳尾”現(xiàn)象，使夾雜物和石墨易于拋掉，無(wú)法確切檢驗(yàn)。對(duì)較軟的金屬和合金要用軟的織物。理想的拋光磨料應(yīng)具有高的硬度，至少等于被拋光材料的硬度，且力度分級(jí)細(xì)致，尺寸均勻。檢驗(yàn)中，金剛石磨料是目前使用最廣泛的。拋光時(shí)，應(yīng)確保試樣磨面與拋光盤(pán)平行并均勻地輕壓在拋光盤(pán)上，注意避免試樣飛出和因壓力過(guò)大而產(chǎn)生新磨痕。試樣沿轉(zhuǎn)盤(pán)徑向往復(fù)移動(dòng)時(shí)還應(yīng)自轉(zhuǎn)，以免拋光織物局部磨損和出現(xiàn)“曳尾”。在拋光過(guò)程中要保證濕度適中，濕度太大會(huì)減弱拋光的磨削作用，使試樣中較硬相呈現(xiàn)浮凸，更會(huì)使鋼中非金屬夾雜物及鑄鐵中石墨相產(chǎn)生“曳尾”現(xiàn)象。濕度太小時(shí)，潤(rùn)滑作用減小，磨面失去光澤，甚至出現(xiàn)黑斑，輕合金則可能拋傷表面。當(dāng)拋光面沒(méi)有磨痕明亮如鏡時(shí)，拋光完成。否則繼續(xù)拋光直至磨痕完全消除為止。
（10） 腐蝕。試樣在硝酸酒精溶液（HNO3含量為4%）中腐蝕。腐蝕的目的是將金屬的顯微組織顯現(xiàn)出來(lái)。常用金相組織顯示法有化學(xué)腐蝕法、電解腐蝕法、金相組織特殊顯示等。試樣腐蝕是較為關(guān)鍵的，腐蝕過(guò)淺或過(guò)深、表面不干凈，特別是有石墨存在的鑄鐵，試樣表面很容易產(chǎn)生花斑，這些都會(huì)使顯微組織特征不明顯，增加顯微組織評(píng)定困難。金相試樣腐蝕的一般步驟為:水沖洗試樣一擦酒精一涂腐蝕劑一水沖洗試樣一擦酒精一吹干。試樣腐蝕時(shí)間長(zhǎng)短及腐蝕劑的選擇視材質(zhì)的不同來(lái)確定。如果腐蝕效果不理想，應(yīng)將試樣從粗磨步驟開(kāi)始重新制樣，直至能清晰顯示出顯微組織[12]。
表2.5 技術(shù)參數(shù)
拋盤(pán)直徑
220mm
轉(zhuǎn)速
700r/min~900r/min
電動(dòng)機(jī)
YS7116 0.2kW 380V（220V 定制）50Hz
外形尺寸
800×520×940mm
重量
73kg
圖2.6 PG—2D型金相試樣拋光機(jī)
圖2.5 GQ70B型電熱恒溫干燥箱
表2.4 GQ70B型電熱恒溫干燥箱
電流
9.1A
容積
35×45×45CM
誤差
±1℃
電壓
220V
電功率
2000W
溫度范圍
50~250℃
圖2.6 PG—2D型金相試樣拋光機(jī)
表2.5 拋光機(jī)技術(shù)參數(shù)
拋盤(pán)直徑
220mm
轉(zhuǎn)速
700r/min/900r/min
電動(dòng)機(jī)
YS7116 0.2kW 380V（220V 定制）50Hz
外形尺寸
800×520×940mm
重量
73Kg
3 20鋼基體熔滲高熵合金工藝研究
3.1 20鋼的定義
20鋼的20是指含碳量，含碳量為0.2%，屬于低碳鋼。
鋼中可分為低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼。低碳鋼含碳量一般小于0.25%；中碳鋼含碳量一般在0.25～0.60%之間；高碳鋼含碳量一般大于0.60%。鋼中除含有碳(C)元素和為脫氧而含有一定量硅(Si)(一般不超過(guò)0.40%),錳(Mn)(一般不超過(guò)0.80%,較高可到1.20%)合金元素外,不含其他合金元素(殘余元素除外)。含碳量低于2.1%為鋼，含碳量高于2.1%為鐵。鋼中含碳量越高其韌性越差，鐵中含碳量越高其韌性越好。
3.2 20鋼材料的成分
表3.1 20鋼各元素含量
元素
碳
（C）
硅
（Si）
錳
（Mn）
硫
（S）
磷
（P）
鉻
（Cr）
鎳
（Ni）
銅
（Cu）
含量
（%）
0.17%～0.24%
0.17%～0.37%
0.35%～0.65%
≤0.035%
≤0.035%
≤
0.25%
≤
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