60鋼基體表面熔滲高熵合金工藝及性能研究（太原）,60,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)
60鋼基體表面熔滲高熵合金
工藝及性能研究
機(jī)械工程系
楊波
102018106
學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)：
材料成型及控制工程
系 部：
梁紅英
專 業(yè)：
指導(dǎo)教師：
二○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
設(shè)計(jì)題目： 60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)：102018106
學(xué)生： 楊波 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60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)論文的撰寫要求完成畢業(yè)論文、參加答辯。
3．主要參考文獻(xiàn)
[1]張力.高熵合金的制備及組織與性能[D].吉林大學(xué)，2008:11-56.
[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，2009，16（1）：49-53.
[3]S.Ranganathan.Alloyed pleasures:multimetallic cocktails[J]．Current science，2003，85(1025):1404-1406.
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，撰寫論文，準(zhǔn)備答辯
2014年6月2日—2014年6月10日
60基體表面熔滲高熵合金組織及性能研究
摘要：高熵合金具有一些傳統(tǒng)合金所無(wú)法比擬的優(yōu)異性能，如高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨耐腐蝕性、高熱阻、高電阻等，從而成為在材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理領(lǐng)域中繼大塊非晶之后一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。有人曾預(yù)言，未來(lái)幾十年內(nèi)，最有發(fā)展?jié)摿Φ娜笱芯繜狳c(diǎn)是大塊非晶、復(fù)合材料和高熵合金。
本論文研究了在60鋼和其它幾種鋼材表面，利用感應(yīng)加熱方法獲得高熵合金涂層的具體工藝，對(duì)高熵合金的涂層進(jìn)行了組織觀察和力學(xué)性能的檢測(cè)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在鋼的基體上是可以獲得高熵合金涂層的；涂有高熵合金的金屬表面相比于金屬基體本身，其力學(xué)性能都有提升。
關(guān)鍵詞：高熵合金，涂層，組織性能
60 steel aluminized high entropy alloy organization and performance study
Abstract：High entropy alloy has excellent performance of some traditional alloyincomparable, such as high strength, high hardness, high wear resistance, highcorrosion resistance, high resistance, thus becoming in material science and condensed matter physics field relay bulk amorphous after a new hotspot.Someone had predicted, the next few decades, the three major research focus is the most development potential is bulk amorphous alloys, composite materials and high entropy alloy.
This paper studied on 60 steel and other steel surface, the specific process to get high entropy alloy coating by induction heating method, coating on the high entropy alloy were tested to observe and mechanical properties of tissues.
The experimental results show that, in the steel matrix can obtain high entropyalloy coating; coated with metal surface and high entropy alloy compared to metal base itself, have increased the mechanical properties.
Keywords：High entropy alloys, Coating, Organizational performance, Development
目 錄
1 前言 1
1.1 高熵合金的概念 1
1.2.1 性能特點(diǎn) 1
1.2.2 性質(zhì) 2
1.3 高熵合金的組織結(jié)構(gòu) 3
1.3.1 CuCoNiCrFe合金 3
1.3.2 CuMoNiCrFe合金 4
1.3.3 AlCoNiCrFe合金 5
1.4 高熵合金的制備 6
1.4.1 真空電弧熔煉技術(shù) 7
1.4.2 機(jī)械合金化 7
1.4.3 磁控濺射技術(shù) 7
1.4.4 熱噴涂技術(shù) 8
1.4.5 激光熔覆法 8
1.5 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 8
1.5.1 高熵合金的發(fā)展 8
1.5.2 高熵合金的研究進(jìn)展 9
1.5.3 高熵合金的發(fā)展展望 9
1.6 表面涂層技術(shù) 10
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 八組元高熵合金 11
2.1.2 五組元高熵合金 11
2.2 粘結(jié)劑的配制 11
2.3 熔滲高熵合金試樣的制備 12
3.1 60鋼材料的成份、性能及用途介紹 13
3.1.1 化學(xué)成份及組織： 13
3.1.2 性能 13
3.1.3 用途 14
3.2 熱處理爐加熱熔滲高熵合金工藝 14
3.3 感應(yīng)加熱熔滲高熵合金工藝 15
3.3.1 感應(yīng)加熱的原理 15
3.3.2 感應(yīng)加熱的特點(diǎn) 15
3.3.3 感應(yīng)加熱器的選型 16
4 60鋼基體熔滲高熵合金組織及性能研究 17
4.1 維氏硬度實(shí)驗(yàn) 17
4.2 三目倒置金相顯微鏡 19
4.3 金相拋光機(jī) 20
4.4 基體的組織及性能 21
4.4.1 基體的組織 21
4.4.2 基體的性能 22
4.5 五組元感應(yīng)加熱熔滲組織與性能 23
4.5.1 五組元感應(yīng)加熱金相組織 23
4.5.2 五組元感應(yīng)加熱性能 24
結(jié)論 26
參考文獻(xiàn) 27
致謝 28
I
太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)
1 前言
1.1 高熵合金的概念
高熵合金，也稱多主元高熵合金，即該種合金是由多種主要元素組成，其元素種類一般在五種或五種以上，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，一般形成高熵固溶體相的一類合金。換言之，五元合金相圖中，在中間位置存在于固溶體相區(qū)，這種固溶體目前認(rèn)為是混合熵穩(wěn)定的固溶體。
在熱力學(xué)上，熵是代表一個(gè)物質(zhì)系統(tǒng)的混亂度的參數(shù)，如果混亂度越大，熵就越大。
圖1.1以熵劃分的合金示意圖
1.2 高熵合金的性能特點(diǎn)和性質(zhì)
1.2.1 性能特點(diǎn)
（1）強(qiáng)化機(jī)制?
高熵合金的主要強(qiáng)化機(jī)制為固溶強(qiáng)化。高熵合金一般會(huì)形成簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的固溶體，大量不同種類的原子相互固溶，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的晶格畸變，從而產(chǎn)生很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化效應(yīng)。?根據(jù)熱處理?xiàng)l件的不同，高熵合金在冷卻或退火過(guò)程中，還可能生成一定量的金屬間結(jié)構(gòu)相，納米相，非晶相等，這些第二相一般尺寸很小，并且彌散分布，可以產(chǎn)生第二相彌散強(qiáng)化作用[1]。
（2）高強(qiáng)度和高硬度?
大量固溶原子產(chǎn)生晶格畸變，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使得高熵合金具有很高的硬度和強(qiáng)度，同時(shí)具有良好的耐蝕性能。
（3）高耐磨性
高熵合金的一系列強(qiáng)化效應(yīng)使其具有較好的耐磨性能，合金元素的加入還可以改變其磨損機(jī)制（如Al元素增加，使分層磨損轉(zhuǎn)化為氧化磨損，摩擦系數(shù)降低），其在磨具刀具方面有較多的應(yīng)用。
（4）高熱穩(wěn)定性
高熵合金和非晶合金的一個(gè)很大的不同就是，高熵合金是一個(gè)熱力學(xué)穩(wěn)定的狀態(tài)。同時(shí)，由于多種原子形成混亂的固溶體，擴(kuò)散激活能很高，可以嚴(yán)重的阻礙擴(kuò)散過(guò)程，因此當(dāng)加熱時(shí)，高熵合金能夠保持其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
（5）耐腐蝕性
高熵合金含有大量的?Cr、Co?等元素，使其具有很強(qiáng)的耐蝕性能。同時(shí)，高熵合金枝晶間存在著大量納米相和非晶，使得枝晶間的耐蝕性有所改善。
1.2.2 性質(zhì)
（1）熱力學(xué)上的高熵效應(yīng)
如圖1.2所示，當(dāng)合金由兩種元素等原子比混合時(shí)其合金熔體的混合熵為0．69R，而由五種元素組成的等原子比合金熔體的混合熵已經(jīng)可以達(dá)到1．61R，面一般金屬合金的熔化熵為1R左右[2]。可以看出，高熵合金的混合熵要明顯高于傳統(tǒng)金屬合金。同時(shí)從圖中也可以看出，當(dāng)?shù)仍颖群辖鹑垠w的混合熵隨合金組元數(shù)的增加而增加，但是當(dāng)組元數(shù)超過(guò)13以后，其合金熔體的混合熵增長(zhǎng)的幅度將趨于平緩。
圖1.2 等原子比合金按正則溶體得到的混合熵和組元數(shù)N的關(guān)系
（2）結(jié)構(gòu)上的晶格畸變效應(yīng)
高熵合金存在著嚴(yán)重的晶格畸變，嚴(yán)重的晶格畸變必然會(huì)影響到材料的力學(xué)，熱學(xué)，電學(xué)等一系列性能[3]。如高熱阻，高電阻效應(yīng)。
（3）動(dòng)力學(xué)上的遲滯擴(kuò)散效應(yīng)
相變?nèi)Q于原子擴(kuò)散，它需要組元之間的協(xié)同擴(kuò)散才能達(dá)到不同相的平衡分離。這種必要的協(xié)同擴(kuò)散，以及阻礙原子運(yùn)動(dòng)的晶格畸變，都會(huì)限制高熵合金中的有效擴(kuò)散速率[4]。在高熵合金的鑄造過(guò)程中，冷卻時(shí)的相分離在高溫區(qū)間通常被抑制從而延遲到低溫區(qū)間。
（4）性能上的“雞尾酒”效應(yīng)
高熵合金的“雞尾酒”效應(yīng)是指其多種元素的本生特性和他們之間相互作用使高熵合金呈現(xiàn)一種復(fù)雜效應(yīng)。這種“雞尾酒”效應(yīng)是一位印度科學(xué)家首先提出的。舉例來(lái)說(shuō)，如果使用較多輕元素，合金的總體密度將會(huì)減小；如果使用較多的抗氧化元素，如鋁或硅合金的高溫抗氧化能力就會(huì)提高。
1.3 高熵合金的組織結(jié)構(gòu)
1.3.1 CuCoNiCrFe合金
Cu、Co、Ni、Cr、Fe五中元素分別按等原子比進(jìn)行混合熔煉研究。圖1.3為CuCoNiCrFe高熵合金的X-ray衍射曲線。由圖1.3所示，合金中只存在單一的FCC面心立方結(jié)構(gòu)的衍射線，并無(wú)其他結(jié)構(gòu)相衍射產(chǎn)生，其衍射強(qiáng)度較低，這主要是因?yàn)榇撕辖疬x取的元素均為第四周期相互鄰近元素[5]，其原子半徑相差不大(Cu，Co，Ni，Cr，F(xiàn)e的Goldschmidt直徑分別為2.238,2.497,2.492,2.565,2.560?），再加上固溶相原子無(wú)序排列，同時(shí)存在微觀應(yīng)力使得衍射峰的峰高下降并且峰的寬度有所變寬。
圖1.3 合金CuCoNiCrFe的X-ray衍射曲線
圖1.4是CuCoNiCrFe五元高熵合金的金相組織圖，組織為典型的樹枝狀晶，可以清楚地看到組織內(nèi)部存在單一相的枝晶結(jié)構(gòu)，沒(méi)有其他相的存在。這種單一面心立方結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)使得合金的韌性有所增加。
圖1.4 合金CuCoNiCrFe的金相組織圖
1.3.2 CuMoNiCrFe合金
Cu、Co、Ni、Cr、Fe五種元素采用等原子比混合熔煉。圖3為CuMoNiCrFe五元高熵合金的X-ray衍射曲線，經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，圖中除了含有一組面心立方結(jié)構(gòu)外，也發(fā)現(xiàn)了其他結(jié)構(gòu)，但是衍射峰強(qiáng)度明顯提高。盡管采用晶體結(jié)構(gòu)為體心立方的Mo代替了晶體結(jié)構(gòu)為六方的Co，使五種組成元素的晶體結(jié)構(gòu)變成了體心立方和面心立方兩種，體心立方結(jié)構(gòu)的比例增加，但在形成固溶體的過(guò)程中，Mo元素的進(jìn)入并未影響整個(gè)合金的結(jié)構(gòu)，一部分分散到FCC當(dāng)中，可能也有部分形成其他相[6]。
從圖1.5可以看出，由于Mo的引入使得不僅存在面心立方相，而且還出現(xiàn)了一些較明顯的其他衍射峰，這說(shuō)明出現(xiàn)了其他相。
圖1.5 合金CuMoNiCrFe的X-ray衍射曲線
圖1.6為合金CuMoNiCrFe的金相組織圖，由圖中可以知道除了含有一些枝晶相以外，還含有一些第二相，這些善良的第二相形成了金屬間化合物。
圖1.6 合金CuMoNiCrFe的金相組織圖
1.3.3 AlCoNiCrFe合金
此合金是以具有面心立方結(jié)構(gòu)的Al代替具有面心立方結(jié)構(gòu)的Cu元素，Al的含量與其他四元素的比例是1:1關(guān)系，圖1.7是合金AlCoNiCrFe的X-ray衍射曲線。圖中我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，并未出現(xiàn)合金CuCoNiCrFe中的單一面心立方相和合金CuAlNiCrFe中的面心立方和體心立方的結(jié)合結(jié)構(gòu)，而是以單一的體心立方相存在。用Al元素代替Cu元素以后。合金中失去了Cu原子導(dǎo)致FCC結(jié)構(gòu)的作用，大大削弱了面心立方相形成的能力[7]。再者與其他幾種元素比，Al元素與Ni元素的鍵結(jié)合能力最強(qiáng)。所以當(dāng)Al進(jìn)入后，首先與Ni結(jié)合形成有序體心立方超晶格結(jié)構(gòu)的NiAl固溶相，其他元素也均勻固溶在NiAl固溶相中形成單一固溶體。
圖1.7 合金AlCoNiCrFe的X-ray衍射曲線
圖1.8 合金AlCoNiCrFe的金相組織圖
1.4 高熵合金的制備
1.4.1 真空電弧熔煉技術(shù)
真空電弧熔煉技術(shù)是目前最常用的技術(shù)。在水冷銅坩堝中利用焊槍的電弧進(jìn)行熔煉，待合金充分混合后將合金塊翻轉(zhuǎn)，一般熔煉4-10次。然后利用機(jī)械手把坩堝中熔煉完的合金塊移至中間吸鑄銅模處，進(jìn)行吸鑄。
這種方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，投資小，容易操作。其缺點(diǎn)是鑄件冷速不均勻，部分區(qū)域出現(xiàn)較大晶粒，組織定向性結(jié)晶，成分比較難混合均勻。
1.4.2 機(jī)械合金化
??
通過(guò)高能球磨使粉末經(jīng)受反復(fù)的變形、冷焊、破碎，從而達(dá)到元素間原子水平合金化。一般利用機(jī)械合金化方法來(lái)制備納米尺度合金粉體材料，或進(jìn)而采用粉末冶金法制備塊體材料。如圖1.9 機(jī)械合金化
圖1.9 機(jī)械合金化
1.4.3 磁控濺射技術(shù)
利用氬氣在電場(chǎng)的作用下電離，氬離子被電場(chǎng)加速轟擊靶材濺射出大量的靶材原子，靶原子(或分子)沉積在基片上形成膜[8]。
磁控濺射的特點(diǎn)是成膜速率高基片溫度低，膜的粘附性好，可實(shí)現(xiàn)大面積鍍膜。應(yīng)用磁控濺射方法已經(jīng)成功制備了多主元高功能合金鍍膜。
1.4.4 熱噴涂技術(shù)
將噴涂材料送入某種熱源中熔化，并利用高速氣流將其噴射到基體表面形成涂層。其優(yōu)點(diǎn)是基體材料不受限制；噴涂過(guò)程中基體材料升溫小，不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力和變形；涂層厚度可以從0.01mm至幾毫米[9]。
一般首先利用電弧熔煉爐煉制高熵合金母合金，然后將合金球磨成直徑在４４μm以下的顆粒，再通過(guò)熱噴涂的方法在基體材料表面形成薄膜。
1.4.5 激光熔覆法
高熵合金涂層的制備主要是利用預(yù)置式激光熔覆，事先將高熵合金置于基體材料表面的熔覆部位，然后采用激光束輻照使之熔化，快速凝固后形成表面涂層。這種方法具有快速加熱和快速凝固的特點(diǎn)，所制備的涂層厚度可以達(dá)到毫米級(jí)。
1.5 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.5.1 高熵合金的發(fā)展
至1970 年，傳統(tǒng)合金在200 年里經(jīng)歷了無(wú)數(shù)錘煉，已經(jīng)發(fā)展出30 余種合金體系，在特性上達(dá)到了相當(dāng)高的境界， 但是在許多方面還無(wú)法滿足設(shè)計(jì)需求。所以近30 年來(lái)，材料學(xué)家們盡最大努力與想象力欲尋求突破，研制出了如介金屬材料、金屬基復(fù)合材料和金屬玻璃等新型材料， 但這些合金依然走不出傳統(tǒng)合金體系[10]。
而高熵合金是伴隨著大塊金屬玻璃的研究熱潮而逐漸發(fā)展起來(lái)的。在塊狀非晶態(tài)合金(即金屬玻璃)的設(shè)計(jì)中，以多種元素構(gòu)成基體，再添加其他元素的方式為設(shè)計(jì)理念， 但在設(shè)計(jì)中依舊保持有某種元素的原子百分比至少超過(guò)40%的設(shè)計(jì)思維。
隨著研究的深入，以葉均蔚為首的一些學(xué)者們打破了這一舊規(guī)， 嘗試將多種元素的原子比控制在相近的范圍內(nèi)， 使得無(wú)一種元素原子比超過(guò)35%，而這一創(chuàng)新性的研究思維終于使高熵合金展現(xiàn)在世人面前。
1.5.2 高熵合金的研究進(jìn)展
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[11]。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。
高熵合金的應(yīng)用潛力巨大，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。但是，高熵合金的各項(xiàng)相關(guān)數(shù)據(jù)基本還處于試驗(yàn)室階段，尚未真正進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域，還未能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。這一方面是因?yàn)樵擃I(lǐng)域的相關(guān)研究剛剛起步，很多人對(duì)此類合金還不了解；另一方面是有關(guān)此類合金的數(shù)據(jù)非常少，數(shù)據(jù)重復(fù)性不夠高。
1.5.3 高熵合金的發(fā)展展望
多主元高熵合金有成千上萬(wàn)個(gè)合金系統(tǒng)，為我們提供了開(kāi)拓新材料、新現(xiàn)象及新功能等的許多機(jī)會(huì)，使得多主元高熵合金具有豐富的應(yīng)用潛能和廣闊的應(yīng)用前景。多主元高熵合金具有眾多優(yōu)異性能，可應(yīng)用到不同的工業(yè)領(lǐng)域。目前,由于高熵合金的高熵效應(yīng)所涉及到的包括混合熵、混合焓等熱力學(xué)方面的知識(shí)，在多元體系中的研究還相對(duì)較少，而且從目前的研究表明，還有一些其他的方面會(huì)對(duì)高熵合金產(chǎn)生顯著的影響，所以對(duì)高熵合金的合金化過(guò)程機(jī)理的研究還相對(duì)較少。實(shí)際上，現(xiàn)在出現(xiàn)的一些高熵合金體系也只是通過(guò)所謂的“ 雞尾酒”式的方法調(diào)配而成，還沒(méi)有科學(xué)選擇合金元素的理論。另外，對(duì)凝固后的組織形成以及各方面的性能，比如力學(xué)性能、耐溫、電學(xué)和磁學(xué)性能以及其他一些物理性能，都還沒(méi)有清晰的認(rèn)識(shí)。在合金的制備方面，方法還相對(duì)單一，不過(guò)已經(jīng)有部分學(xué)者開(kāi)始試圖通過(guò)其他的方法進(jìn)行制備，如噴涂和鍍膜等方法，從而為高熵合金的工業(yè)應(yīng)用提供了可能[12]。
多主元高熵合金被認(rèn)為是最近幾十年來(lái)合金化理論的三大突破之一( 另外兩項(xiàng)分別是大塊金屬玻璃和金屬橡膠)，由于高熵合金應(yīng)用潛力的多元化，面對(duì)的產(chǎn)業(yè)技術(shù)也將會(huì)是多元化的，這將為高熵合金新材料的研究與應(yīng)用提供重要的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。
圖1.10 高熵合金應(yīng)用
1.6 表面涂層技術(shù)
近年來(lái),金屬表面的涂層引起了人們極大的注意。表面涂層可提高零件的耐腐蝕、摩擦、磨損和疲勞,而對(duì)于一些基體材料不需要有這方面的要求。表面涂層的性能取決于基體材料的特性、表面光潔度和涂層厚度,這些效應(yīng)可使表面摩擦力有兩個(gè)數(shù)量級(jí)的變化;軟金屬涂層的摩擦力較小,而硬金屬涂層的摩擦力較大[13]。極光滑的表面和極薄的涂層,這些效應(yīng)更為明顯。薄的軟金屬涂層的耐磨性較大,而薄的硬金屬涂層的耐磨性較小。
涂層是涂料一次施涂所得到的固態(tài)連續(xù)膜，是為了防護(hù)，絕緣，裝飾等目的，涂布于金屬，織物，塑料等基體上的塑料薄層。涂料可以為氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)，通常根據(jù)需要噴涂的基質(zhì)決定涂料的種類和狀態(tài)。
依據(jù)所用涂料的種類而有不同的稱呼，如底漆的涂層稱為底漆層，面漆的涂層稱為面漆層。一般涂料所得涂層較薄，約在20~50微米，厚漿型涂料則一次可得厚達(dá)1毫米以上的涂層[14]。
是為了防護(hù)，絕緣，裝飾等目的，涂布于金屬，織物，塑料等基體上的塑料薄層。
本實(shí)驗(yàn)采用高熵合金涂層，涂到60鋼基體表面，以提高60鋼的硬度，耐腐蝕度等力學(xué)性能。
2 熔滲高熵合金試樣的制備
2.1 配制高熵合金
2.1.1 八組元高熵合金
組成元素：Al、Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti、Si
摩爾比例：1:1:1:1:1:1:0.75:0.25
用振篩機(jī)充分?jǐn)嚢柚瞥?
2.1.2 五組元高熵合金
組成元素：Al、Cr、Co、Fe、Ni
摩爾比例：1:1:1:1:1
比例配好后用振篩機(jī)進(jìn)行充分?jǐn)嚢?
圖2.1 高熵合金
2.2 粘結(jié)劑的配制
材料：松香、松節(jié)油
配置質(zhì)量比比例：1:3
圖2.2 粘結(jié)劑
2.3 熔滲高熵合金試樣的制備
選取基體材料為60鋼
1、用不同砂紙打磨60鋼基體表面至光滑，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。然后把松香和松節(jié)油調(diào)配成飽和溶液，制得試驗(yàn)所需要的粘結(jié)劑；
2、將制備好的高熵合金粉充分混合；
3、將混合均勻的膏狀涂層材料涂在60鋼已磨過(guò)的表面；
4、加熱烘干100℃，烘干時(shí)間8h。
圖2.3 60鋼
3 60鋼基體熔滲高熵合金工藝研究
60號(hào)鋼為亞共析鋼，強(qiáng)度、硬度和彈性都很高，冷變形時(shí)塑性較低，切削性較差，焊接和淬透性差，水淬有產(chǎn)生裂紋傾向，大型制件多采用正火。60號(hào)鋼用于制造軸、彈簧圈、輪軸、各種墊圈、凸輪、鋼繩等受力較大、在摩擦條件下工作，要求較高強(qiáng)度、耐磨性和一定彈性的零件?！∷俏ㄒ唤雍闲暂^好之中硬度鋼焊條，適用于空冷鋼、鑄鋼：如ICD5、7CrSiMnMoV…等等[15]。汽車板金覆蓋件模具及大型五金板金沖壓模具之拉延、拉伸部位修補(bǔ)，也可用于硬面制作。
3.1 60鋼材料的成份、性能及用途介紹
3.1.1 化學(xué)成份及組織：
碳 C：0.57～0.65
硅 Si：0.17～0.37
錳 Mn：0.50～0.80
硫 S ：≤0.035
磷 P ：≤0.035
鉻 Cr：≤0.25
鎳 Ni：≤0.25
銅 Cu：≤0.25
3.1.2 性能
（1）力學(xué)性能
抗拉強(qiáng)度 σb (MPa)：≥675(69)
屈服強(qiáng)度σs (MPa)：≥400(41)
伸長(zhǎng)率 δ5 (%)：≥12
斷面收縮率 ψ (%)：≥35
硬度：未熱處理≤255HB
退火鋼≤229HB
（2）60號(hào)鋼為亞共析鋼，強(qiáng)度、硬度和彈性都很高，冷變形時(shí)塑性較低，切削性較差，焊接和淬透性差，水淬有產(chǎn)生裂紋傾向，大型制件多采用正火。
3.1.3 用途
60號(hào)鋼用于制造軸、彈簧圈、輪軸、各種墊圈、凸輪、鋼繩等受力較大、在摩擦條件下工作，要求較高強(qiáng)度、耐磨性和一定彈性的零件。
3.2 熱處理爐加熱熔滲高熵合金工藝
熱處理是將材料放在一定的介質(zhì)內(nèi)加熱、保溫、冷卻，通過(guò)改變材料表面或內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，來(lái)控制其性能的一種綜合工藝過(guò)程[16]。
熱處理包括普通熱處理和表面熱處理。普通熱處理里面包括：退火，正火，淬火和回火；表面熱處理包括表面淬火和化學(xué)熱處理。
圖3.4 箱式熱處理爐
1、 通電前，先檢查接線有否符合，控制器上等接線螺絲有否松落現(xiàn)象。
2、 將涂有高熵合金的60鋼放于爐內(nèi)，并關(guān)閉爐門，打開(kāi)電爐開(kāi)關(guān)；
3 、將控制器上的開(kāi)關(guān)拔至“設(shè)定”位置，設(shè)定試驗(yàn)溫度到1300℃；
4 、設(shè)定完成后開(kāi)關(guān)拔回至“測(cè)量”位置，電爐開(kāi)始升溫工作，此時(shí)儀表由綠指示燈顯示；
5 、保溫30min后關(guān)掉電爐開(kāi)關(guān)，隨爐緩冷到200℃左右后取出材料。
3.3 感應(yīng)加熱熔滲高熵合金工藝
3.3.1 感應(yīng)加熱的原理
工件放到感應(yīng)器內(nèi)，感應(yīng)器一般是輸入中頻或高頻交流電 (300-300000Hz或更高)的空心銅管。產(chǎn)生交變磁場(chǎng)在工件中產(chǎn)生出同頻率的感應(yīng)電流，這種感應(yīng)電流在工件的分布是不均勻的，在表面強(qiáng)，而在內(nèi)部很弱，到心部接近于0，利用這個(gè)集膚效應(yīng)，可使工件表面迅速加熱，在幾秒鐘內(nèi)表面溫度上升到800-1000℃，而心部溫度升高很小。
3.3.2 感應(yīng)加熱的特點(diǎn)
（1）感應(yīng)式加熱對(duì)工件不需要整體加熱，可以選擇性地對(duì)局部進(jìn)行加熱，從而可以達(dá)到電能消耗少的目的，而且工件變形不明顯。
（2）加熱速度快，可以使工件在極短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到所需的溫度，甚至可以在1秒以內(nèi)。從而使工件的表面氧化和脫碳都比較輕微，大多數(shù)工件都無(wú)須氣體保護(hù)。
（3）可以根據(jù)需要通過(guò)調(diào)整設(shè)備的工作頻率和功率，對(duì)表面淬硬層進(jìn)行調(diào)控。從而使淬硬層的馬氏體組織較細(xì)，硬度、強(qiáng)度和韌性都比較高。
（4）經(jīng)過(guò)感應(yīng)加熱方式熱處理后的工件，表面硬層下有較厚的韌性區(qū)域，具有較好的壓縮內(nèi)應(yīng)力，使得工件的抗疲勞和破斷能力都更高。
圖3.5 感應(yīng)加熱器
3.3.3 感應(yīng)加熱器的選型
（1）被加熱工件的形狀，外圍尺寸，被加熱工件的重量。
（2）被加熱工件的材料組成（一般感應(yīng)加熱，只征對(duì)于金屬導(dǎo)體非金屬導(dǎo)體之類例如石墨）。
（3）被加熱工件的加熱所需目標(biāo)溫度的時(shí)間和目標(biāo)溫度。以上三點(diǎn)一旦明確，就可以對(duì)感應(yīng)加熱設(shè)備進(jìn)行選型了包括匹配功率。
本實(shí)驗(yàn)是將預(yù)先打磨光滑的60鋼涂上高熵合金后放入感應(yīng)加熱器中加熱到1130℃后，保溫8分鐘。
4 60鋼基體熔滲高熵合金組織及性能研究
4.1 維氏硬度實(shí)驗(yàn)
（1）維氏硬度計(jì)介紹
HVT-1000型維氏硬度計(jì)如圖4.1，是一臺(tái)機(jī)、光、電一體化的硬度測(cè)試儀器，特別適合金屬薄小試件、脆性材料的顯微硬度檢測(cè)。該硬度測(cè)試儀具有以下特性：采用無(wú)摩擦主軸結(jié)構(gòu)，確保試驗(yàn)力穩(wěn)定，測(cè)試精度高；采用微機(jī)技術(shù)、角位移傳感技術(shù)于一體，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程、硬度值顯示自動(dòng)化；運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、CCD圖像處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)壓痕捕捉、處理、測(cè)試、數(shù)據(jù)打印自動(dòng)化；高精度光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，精密坐標(biāo)試臺(tái)；可選配維氏壓頭進(jìn)行維氏硬度試驗(yàn)； 精度符合GB/T4340.2, ISO6507-2和美國(guó)ASTM E384。
圖4.1 維氏硬度計(jì)
VT-1000型圖像處理顯微維氏硬度計(jì)應(yīng)用范圍：滲氮層、陶瓷、鋼、有色金屬;薄板、金屬薄片、電鍍層、微小試件;材料強(qiáng)度、熱處理、碳化層、脫碳層和淬火硬化層的深度;適用于平行平面和微小零件及超薄零件的精密維氏測(cè)量。
（2）維氏硬度計(jì)原理?
?? 采用正四棱錐體金剛石壓頭，在試驗(yàn)力作用下壓入試樣表面，保持規(guī)定時(shí)間后，卸除試驗(yàn)力，測(cè)量試樣表面壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度。
試驗(yàn)力除以壓痕表面積的商就是維氏硬度值。維氏硬度值按式（3－1）計(jì)算：?
HV?=?常數(shù)×試驗(yàn)力/壓痕表面積≈0.1891F／d2 ……（3－1）
式中：HV? ————維氏硬度符號(hào)；?????????
F??――――試驗(yàn)力，N；?
? ??d??————壓痕兩對(duì)角線d1、d2的算術(shù)平均值，mm???
實(shí)用中是根據(jù)對(duì)角線長(zhǎng)度d通過(guò)查表得到維氏硬度值。?
國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定維氏硬度壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度范圍為0.020～1.400mm
?
?? 圖4.2 維氏硬度計(jì)原理圖
（3）維氏硬度的表示方法?
?? 維氏硬度表示為HV，維氏硬度符號(hào)HV前面的數(shù)值為硬度值，后面為試驗(yàn)力值。標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)保持時(shí)間為10～15S。如果選用的時(shí)間超出這一范圍，在力值后面還要注上保持時(shí)間。例如：600HV30—表示采用294.2N（30kg）的試驗(yàn)力，保持時(shí)間10～15S時(shí)得到的硬度值為600。?
?? 600HV30/20—表示采用294.2N（30kg）的試驗(yàn)力，保持時(shí)間20S時(shí)得到的硬度值為600。?
（4）維氏硬度試驗(yàn)的分類和試驗(yàn)力選擇?
?? 維氏硬度試驗(yàn)按試驗(yàn)力大小的不同，細(xì)分為三種試驗(yàn)，即：維氏硬度試驗(yàn)、小負(fù)荷維氏硬度試驗(yàn)和顯微維氏硬度試驗(yàn)。見(jiàn)表4.1?
表4.1維氏硬度試驗(yàn)的三種方法?
試驗(yàn)力范圍/N
硬度符號(hào)
試驗(yàn)名稱
F≥49.03
≥HV5
維氏硬度試驗(yàn)
1.961≤F<49.03
HV0.2～
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