高熵合金的摩擦学性能研究进展

摩擦学是研究摩擦、磨损和润滑的学科,对结构材料的服役性能有很大影响。正因如此,学者除了不断探索具有优异力学性能的结构材料外,也不断寻求具备高耐磨性能的金属材料。在摩擦学领域,传统的金属材料已经发展成熟,新型耐磨材料亟待开发。近年来,新兴的高熵合金表现出优异的硬度、抗氧化性、抗软化能力,在很大程度上丰富了现有的耐磨合金体系,在未来的新型耐磨材料领域有很大的应用前景。为了系统地剖析高熵合金的摩擦学行为,本文首先介绍了单相、双相和多相高熵合金以及与高熵合金有关的复合材料在室温下的摩擦学特性,进而总结了改善高熵合金耐磨性能的方法。此外,本文还讨论了高熵合金在高温下的耐磨性能,并对其作为耐磨合金的应用与发展作了展望。     

激光熔覆AlFeCrNiTiCu_x系高熵合金涂层

采用激光熔覆工艺在Q235基体上制备AlFeCrNiTiCu_x系高熵合金并进行了组织结构和性能的分析。结果表明:所制备的AlFeCrNiTiCu_x系高熵合金涂层均具有简单的面心立方(face center cubic,FCC)+体心立方(body center cubic,BCC)混合结构。激光熔覆冷却速度极快,有利于抑制晶粒的长大,在涂层中获得了微米级别的等轴状树枝晶结构。随着Cu含量的加入,促进了FCC相的形成,抑制了BCC相的形成,也降低了涂层硬度。由于混合熵的提高,金属间化合物相的生成随着Cu的加入受到抑制。由于Cu和其他合金元素正的混合焓,涂层熔凝过程中,Cu受到排挤易在晶间偏析获得富Cu的FCC组织。     

激光熔覆CoCrFeMnNiMox高熵合金涂层的微观组织及性能

45钢存在耐磨性能及耐蚀性能较差等问题.采用激光熔覆技术在45钢表面制备了CoCrFeMnNiMo_x(x=0.00, 0.25, 0.50, 0.75, 1.00)高熵合金涂层,研究了Mo元素对高熵合金涂层的微观组织和性能的影响.结果表明：CoCrFeMnNiMo_x高熵合金涂层由单一的面心立方(FCC)固溶体组成.含Mo元素涂层微观结构为典型的枝晶和枝晶间结构,这是熔池在凝固过程中的非均质形核现象导致的.涂层的显微硬度随x值的增大而升高,其中Mo_1.00涂层硬度最高为2.391 GPa,定量计算表明固溶强化是显微硬度提升的主要原因.随着Mo质量分数的升高,磨损机制从黏着磨损演变为磨粒磨损和氧化磨损.其中,Mo_1.00涂层具有最低的体积磨损率(0.68×10^-4 mm³/(N·m)).根据点缺陷模型理论分析了涂层钝化对耐蚀性能的影响.添加Mo元素提升了涂层钝化行为的脱水速率,使得氧化物层变厚,进而提升了涂层的耐蚀性.涂层的腐蚀机制为晶间腐蚀,Mo_0...     

Nb对等离子熔覆NbC-WC/镍基复合涂层的组织性能的影响

采用等离子熔覆技术成功制备了不同(Nb+C)/WC比例的镍基复合涂层,借助高分辨扫描电镜、X射线衍射仪、显微硬度计、室温干滑动摩擦磨损试验机、三维形貌仪对复合涂层的组织及力学性能进行了表征。实验结果表明,涂层底部区域存在未熔WC颗粒,随着Nb含量的增加,WC的溶解行为得到促进;涂层由NbC、WC、γ(Fe, Ni)和M₂₃C₆组成;当n(Nb+C)∶n(WC)=2∶2时,涂层拥有较高的显微硬度(～750 HV_0.1)、较好的耐磨性能和相对光滑平整的磨损形貌;随着Nb的添加,涂层的磨损机制由粘着磨损转变为粘着磨损和磨粒磨损。     

FeAlCrCuCoTi_(0.4)高熵合金涂层冲蚀磨损性能

利用氩弧熔敷技术在Q235表面制备FeAlCrCuCoTi_(0.4)高熵合金涂层,采用金相显微镜、X射线衍射仪、维氏显微硬度计、冲蚀磨损试验机测试了样品的显微组织、物相、显微硬度、磨损性能,研究其在不同转速下的冲蚀磨损性能.研究结果表明:高熵合金熔覆层与基体呈冶金结合,结合良好,无气孔,裂纹等缺陷产生;熔覆层最高硬度为Q235的3.09倍;当转速分别为200 r/min、300 r/min、400 r/min时,高熵合金涂层的冲蚀磨损性能分别相对于基体提高3.76倍、3.67倍和3.70倍.     

MA-SPS制备超细晶Ti-8Mo-3Fe合金的摩擦磨损性能

以机械合金化+放电等离子烧结(MA-SPS)制备的超细晶Ti-8Mo-3Fe合金为研究对象,研究了合金在模拟体液(SBF)中的摩擦磨损性能,并与放电等离子烧结制备的微米尺寸晶粒的Ti-8Mo-3Fe合金、铸造纯Ti及Ti-6Al-4V(TC4)合金进行了对比.结果表明:采用MA-SPS工艺可制备出高致密度、组织均匀的超细晶Ti-8Mo-3Fe合金,合金由β相及少量α相组成,平均晶粒尺寸为1.5μm,显微硬度为448 HV;在相同摩擦磨损条件下,超细晶Ti-8Mo-3Fe合金的摩损程度明显低于微米晶粒Ti-8Mo-3Fe和铸态的纯Ti及TC4合金,具有最低的磨损体积和较稳定的摩擦系数.超细晶Ti-8Mo-3Fe合金的磨损机制为磨粒磨损,而微米晶粒Ti-8Mo-3Fe和铸态纯Ti及TC4合金的磨损机制为磨粒磨损和黏着磨损并存的混合磨损.     

MoCrFeMnNi高熵合金退火后的组织和性能

高熵合金因具有高强度、耐腐蚀、耐高温氧化等优异的性能而备受关注.采用铝热反应法制备MoCrFeMnNi高熵合金,用XRD、SEM、EDS、显微硬度和压缩实验研究了铸态及700 ℃/12 h、800 ℃/6 h、1 000 ℃/3 h退火后合金的组织和性能变化.结果表明:铝热法制备的MoCrFeMnNi高熵合金为典型的枝晶形貌,晶体结构主要由BCC相、FCC相以及少量的σ相构成,其中枝晶区域为BCC结构,富含Mo和Cr元素;枝晶间区域为FCC结构,富含Ni元素.随着退火温度的上升,枝晶间逐渐析出纳米级σ相,使得合金硬度上升,在800 ℃/6 h退火处理后达到667 HV,抗压强度达到1 050 MPa;1 000 ℃/3 h退火后,σ相团聚成球状和针状并在高温下部分溶解,σ相的减少使得合金硬度下降,抗压强度与铸态时相当,塑性显著提升.     

TC4合金氩弧熔覆TiN复合涂层的组织及耐磨性

为提高钛合金表面性能,以TiN粉和Ti粉为原料,利用氩弧熔覆技术,在TC4合金表面成功制备出TiN增强Ti基复合涂层。采用扫描电镜、X射线衍射仪分析了熔覆涂层的显微组织和物相组成;利用显微硬度仪、摩擦磨损试验机测试了复合涂层的显微硬度和室温干滑动磨损条件下的耐磨性能。结果表明:氩弧熔覆涂层组织均匀致密,熔覆层与基体呈冶金结合,熔覆涂层主要由TiN棒状树枝晶和TiN颗粒组成,复合涂层明显改善了TC4合金的表面硬度,涂层的最高显微硬度可达9.5 GPa;复合涂层在室温干滑动磨损实验条件下具有优异的耐磨性,磨损机制主要是磨粒磨损,其耐磨性较TC4合金基体提高近9倍。     

电子束蒸发沉积Al-Fe-Co-Cr-Ni-Cu高熵合金涂层耐蚀性研究

研究电子束蒸发方法在工业常用的钢筋基体表面制备Alx FeCoCrNiCu(x=0.25,0.50,1.00)高熵合金涂层的工艺,探讨了铝含量对涂层耐蚀性的影响,并用X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)和电子探针(EPMA)等手段对涂层的物相、形貌和化学成分进行分析.结果表明:光滑基底上得到的合金涂层表面平整、分布均匀,膜层致密,随着铝含量的升高,制备的高熵合金涂层的晶体结构由简单的FCC结构转变为FCC和BCC混合结构.极化曲线表明,在0.5mol/L H2SO4溶液和1mol/L NaCl溶液中,高熵合金涂层和304不锈钢相比具有更好的耐蚀性能.此外,Al0.5FeCoCrNiCu高熵合金涂层表现出更全面的耐蚀性和抗孔蚀能力.     

Mo含量对Al-Mo合金组织及性能的影响

通过制备Mo含量为0.5%,、1.0%,、1.5%,、2.0%,的Al-Mo合金,利用激光共聚焦显微镜、布氏硬度计、摩擦磨损试验机研究Mo含量对合金铸态组织、硬度及耐磨性的影响。研究结果表明:Mo含量超过1.0%,时,合金中出现含Mo的沉淀析出Al_(12)Mo颗粒相,随着Mo含量的增加,析出的第二相颗粒数目增多,合金硬度呈现上升趋势,Mo含量为2.0%,时,合金的硬度值最高,同时Mo含量可有效改善Al-Mo合金的磨粒磨损性能。     

Cu对AlFeCrCoTiCu_x多组元高熵合金组织及其力学性能的影响

利用真空电弧熔炼炉制备了AlFeCrCoTiCu_x(x=0.5,0.75,1)高熵合金,并通过XRD、SEM、EDS、DSC、显微硬度计和压缩试验对合金的微观组织和力学性能进行测试。结果表明:合金呈树枝晶结构,枝晶是FCC1相和BCC相组成的混合组织;晶间则由FCC2相和析出相组成。随着Cu元素的增加,晶间FCC2相和析出相逐渐增多。热分析表明,组合金的熔点为1 380℃左右,在1 050℃左右析出晶间富Cu(FCC2)相。当铜摩尔比为0.5时,合金的硬度可达804 HV,抗压强度可达1 935 MPa,但随着Cu含量的增加而降低。     

硼含量对FeCoNiCrAl_(0.1)B_x高熵合金组织和力学性能的作用

研究了硼含量对FeCoNiCrAl_(0.1)B_x(x=0～0.1)高熵合金微观组织和力学性能的作用.结果表明:当硼含量x≤0.03时,FeCoNiCrAl_(0.1)B_x高熵合金由单一面心立方(facecentered cubic,FCC)结构的γ相组成;而当硼含量x ≥ 0.05 时,FeCoNiCrAl_(0.1)B_x高熵合金由γ相、微量的有序态FCC相和硼化物组成.硼元素的加入,细化了 FeCoNiCrAl_(0.1)B_x高熵合金的晶粒,提高了合金的抗拉强度,但也降低了合金的延伸率.在真空中拉伸时,FeCoNiCrAl_(0.1)B_x高熵合金的断口形貌均为韧窝状塑性断口.     

微量碲对钴基合金耐磨损性能的影响

在钴基合金粉末中添加微量的稀散元素Te(质量分数分别为0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%),采用粉末烧结工艺制备试样.采用HB-3000型布洛维硬度仪、MMW-1立式万能摩擦磨损试验机、万分之一的电子分析天平FA2004、MEF-3金相显微镜、扫描电镜、XRD对其硬度、摩擦系数、磨损量、磨损形貌、金相组织进行分析研究.结果发现:钴基合金粉末中Te质量分数为1.5%时,硬度达到最高、摩擦系数小且曲线稳定、磨损量最低,同时Te的加入能细化合金晶粒、清晰晶界、提高组织致密度、使晶粒间结合更加牢固、产生新的硬质相CoCrWTe,这对提高硬度和耐磨性能起主导作用.     

SiC颗粒填充单体浇铸尼龙的摩擦学性能

为了研究 Si C颗粒作为填料对单体浇铸尼龙 (MC尼龙 )的摩擦磨损性能的影响 ,选用两种材料在 MM- 2 0 0摩擦磨损试验机上进行了试验研究 ,并借助于扫描电镜观察了磨损形貌 ,探讨了磨损机理。研究结果表明 ,在干摩擦条件下 ,Si C颗粒填充 MC尼龙的摩擦学性能与载荷和滑动速度的乘积 (Pv)值的大小有关 ,复合材料的摩擦因数比纯尼龙的大 ,当 Pv值较低时 ,复合材料的耐磨性能比纯尼龙好 ,其磨损机理主要是磨粒磨损和粘着磨损 ;当 Pv值较高时 ,复合材料的耐磨性能不如纯尼龙 ,其磨损机理主要是疲劳剥落 ,并有磨粒磨损和粘着磨损。在水润滑条件下 ,Si C颗粒填充 MC尼龙表现出较好的耐磨性能 ,其摩擦学性能受 Pv值的影响小 ,磨损机理主要是磨粒磨损     

激光熔覆AlCoCrFeNiTi0.5合金涂层制备及其组织性能

采用激光熔覆方法制备AlCoCrFeNiTi0.5高熵合金涂层,研究了激光工艺参数对涂层成形及组织性能的影响。结果表明：激光功率为3.5 kW,扫描速度为300 mm/min,光斑直径5 mm时,单道熔覆涂层表面成形性最好。熔覆层主要为BCC结构固溶体,并且有Al80Cr13Co7和Al95Fe4Cr复杂相析出,涂层平均硬度已达到989 Hv。     

Si含量对Fe-20Ni-3.5C自润滑材料组织与性能的影响

采用熔炼法制备不同Si含量的Fe-20Ni-3.5C固体自润滑合金,研究了Si含量对Fe-20Ni-3.5C合金机械性能和摩擦磨损性能的影响.研究表明,随着硅含量的增加,固溶于奥氏体基体中的碳含量逐渐降低,结晶中的片状石墨逐渐短粗化和球化.当硅含量为2.5%时,合金的硬度与抗拉强度最高而相对应的冲击韧性则较低.材料的干摩擦因数和磨损率随着合金硬度的提高而降低,其中Fe-20Ni-3.5C-2.5Si合金硬度高,摩擦因数最低,干摩擦因数保持在0.23,其磨损形式为疲劳磨损.     

添加Ti0.9Zr0.1Mn1.5复合球磨对Ti9.6V86.4Fe4 合金储氢性能的影响

系统研究了Ti9.6V86.4Fe4储氢合金中掺入10%（质量分数）的Ti0.9Zr0.1Mn1.5进行复合球磨对其相结构及储氢性能的影响.X射线衍射分析表明,Ti9.6V86.4Fe4铸态合金具有单一的体心立方（BCC）结构固溶体相,当添加10%的Ti0.9Zr0.1Mn1.5复合球磨后,复合物由BCC主相和C14型Laves第2相组成.扫描电子显微镜及X射线能量色散谱仪分析表明,Ti9.6V86.4Fe4合金粉颗粒表面包覆了一层Ti0.9Zr0.1Mn1.5微粒.储氢性能测试表明,Ti9.6V86.4Fe4中掺入10%的Ti0.9Zr0.1Mn1.5复合球磨后,虽然室温最大吸氢量（质量分数）从3.86%略微降低至3.61%,但其有效储氢量（质量分数）由2.01%提高到2.11%,活化性能和P-C-T曲线平台特性都得到了明显改善.     

选区激光熔化制备Al_(0.5)CoCrFeNi高熵合金的工艺参数及组织性能

为了验证采用选区激光熔化(SLM)技术制备高熵合金的可行性,使用原始混合粉末进行了Al_(0.5)CoCrFeNi高熵合金的SLM制备。通过对相对密度进行表征,探讨了激光功率、扫描速度、扫描间距等工艺参数对成型质量的影响,并采用扫描电镜及X射线衍射仪等进行了显微组织、相组成分析,通过硬度和拉伸试验对材料的力学性能进行了表征。结果表明:激光功率、扫描速度、扫描间距三者间的交互作用对材料的相对密度有很大的影响,材料相对密度随着能量密度的增加而增加。SLM制备的高熵合金试样的相对密度最高可达99.92%,组织细小均匀,由简单的面心立方结构和体心立方结构两相构成,屈服强度达到540 MPa,拉伸强度达到878 MPa,延伸率为18%,综合性能优于传统熔炼高熵合金,表明采用SLM技术制备高熵合金是可行的。     

Ekonol-PTFE-石墨自润滑复合材料的磨损性能研究

研究了聚苯酯 (Ekonol)的含量对Ekonol-PTFE -石墨自润滑复合材料的磨损性能的影响 ,用扫描电子显微镜观察了此复合材料磨损前和磨损后的表面形貌 ,进而对其磨损机理进行了探讨 结果表明 :当Ekonol含量较少时 ,结晶体仍以带状结构存在 ,磨损中易发生带状破坏导致其耐磨性仍较差 ,磨损机理为严重粘着磨损 ;当Ekonol含量适中时 ,其结晶体以连续网状结构存在 ,其可有效地阻止PTFE基体的带状破坏 ,从而可极大地提高此复合材料的耐磨性 ,磨损机理为疲劳磨损和轻微粘着磨损 ;当Ekonol含量较多时 ,其结晶体以分散状存在 ,磨损机理为晶体剥落 图 7,表 1 ,参 9     

316H不锈钢表面等离子粉末堆焊Tribaloy® T400涂层的性能研究

采用等离子粉末堆焊工艺在316H不锈钢表面堆焊Tribaloy^® T400 (T400) 合金涂层,研究焊接时不同焊接热输入对堆焊件表面形貌、成分、维氏硬度、摩擦因数以及磨损质量的影响。结果表明：当焊接热输入为840 J/mm时,堆焊件表面没有明显的缺陷,维氏硬度以及耐磨性能达到最佳,且Cr元素含量最低;对316H不锈钢和堆焊件的磨损机制进行研究发现,316H不锈钢的磨损机制主要为剥层磨损,伴随有少量氧化磨损,堆焊件的磨损机制主要为磨粒磨损,伴随有黏着磨损。对焊接热输入为840 J/mm的堆焊件在700 ℃的环境中进行时效实验,堆焊件的维氏硬度随着时效时间的延长而增大,堆焊件经1000 h时效后,维氏硬度由原来的528增加到602,堆焊层具有较高的高温力学稳定性。