钛合金表面激光熔覆高熵合金

1、钛合金表面激光熔覆高熵合金钛合金表面激光熔覆高熵合金2015-01-201主要内容主要内容2钛合金表面激光熔覆高熵合金涂层钛合金表面激光熔覆高熵合金涂层高熵合金的简介高熵合金的简介高熵合金的定义高熵合金的定义u定义：定义：具有5种或者5种以上合金元素以等摩尔比或近等摩尔比 混合形成的固溶体合金固溶体合金(两种元素以等摩尔混合)当 n=2 时，S= 0.693R，当 n=5 时，S= 1.61R当n=6 时， S= 1.79R当n= 9 时， S= 2.20R 高熵的指标高熵的指标混合熵大于1.5R每一种主元的含量需要大于5 at.%1. 主元数目应大于5，最好不超过13Gibbs相率：P=C+

2、1-F 随着元素种类增加，平衡相的数目也应该增加。在高熵合金中虽然含有5种或5种以上的元素，但却依然能够形成简单的固溶体相，这就是高熵合金最为独特的地方高熵合金的特性高熵合金的特性u与传统合金区别：与传统合金区别： 传统合金一般基于一种或两种元素，而高熵合金中没有任何一种元素占主导地位。 传统合金中合金元素固溶量是有限的。随着合金元素含量的增加，会出现金属间化合物及复杂相，对合金性能不利。高熵合金中绝大部分的金属元素都处于固溶状态，并且具有BCC、FCC这样简单的晶体结构 高熵效应高熵效应 迟滞扩散效应迟滞扩散效应 严重晶格畸变严重晶格畸变 鸡尾酒效应鸡尾酒效应u四个特性：四个特性：高熵效应高

3、熵效应l 当H -T S时，说明元素之间有结合在一起的趋势，即形成化合物的趋势较大，不利于形成固溶体相l 当H-T S 时，说明元素更趋于维持混乱的状态 在高熵合金中，通过增加元素的种类来提高S，让高熵合金形成固溶体相而不是金属间化合物相，从而将固溶体相变成一个热力学稳定的状态。 G=G= H-TH-T S S l G 越负的状态越稳定 l H一般小于零，反映了原子之间的相互作用能 l S大于零 ，反映了体系的混乱程度.u高熵效应原理高熵效应原理晶格畸变效应晶格畸变效应u原理：原理：存在严重的晶格畸变，固溶强化是最主要的强化形式 严重的晶格畸变使高熵合金具有很高的抗拉强度 晶格畸变不仅改变了合

4、金的性能，而且减小了温度对性能的影响。u原理：原理：高熵合金中晶格畸变严重，必然导致扩散过程难以进行迟滞扩散效应迟滞扩散效应 新相的形成和长大需要通过扩散进行，因此在高熵合金中经常形成纳米尺度的第二相颗粒。第二相颗粒的形核容易，但是长大非常困难，最终保持在纳米尺度。 迟滞扩散效应让高熵合金很容易得到过饱和状态固溶体以及细小的沉淀，提高再结晶温度，减小晶粒长大速率以及第二相粗化速率，提高蠕变抗性。真空吸铸的方式制备AlCrFeCoNiCu高熵合金B) ,TEM亮场相 a:70nm宽的无序BCC相 b:100nm宽的有序BCC相 c:7-50nm的纳米沉淀 C),D) ,E)分别为 a,b,c的投

5、射花样铸态AlCrFeCoNiCu合金 : :u原理：原理：当多种元素混合的时候，其性质的增长，可以超过混合定律增长的幅度。鸡尾酒效应鸡尾酒效应: 比如，通过多种高熔点金属混合，可以得到更好的高温性能。四主元合金 Nb Mo Ta W 和五主元合金 V Nb MoTa W，可以获得更好的高温性能。熔点高达 2600 在 1600 下屈服强度可达400 Mpa。高熵合金获取高熵合金获取 原子体积差别（%）混合焓Hmix S S区区：是单一固溶体区，在这个区中，原子尺寸的差别相对较小，同时Hmix 并不是太负 。 SS区区：主要是固溶体相，但是包含一部分的有序固溶体。Detla值较S区大一点， H

6、mix 值相对较负。 C C区区：形成金属间化合物。 可见 Hmix 过大或者过小，都会形成金属间化合物。 B B区区：块体金属玻璃区，B2 区是Mg、Cu基的块体金属玻璃，B1 区是其他类型的金属玻璃。可见，其原子尺寸差别更大， Hmix 更负。高熵合金和其他材料高熵合金和其他材料 强度和密度对比强度和密度对比激光熔覆技术激光熔覆技术u原理：原理：在基材表面选择合适的涂层材料，利用高功率密度的激光束使之与基材表面极稀薄层同时熔化，并快速凝固后表面涂层，从而显著改善基材表面特性的工艺方法。u 特点特点： 可以在工件表面制备高性能涂层，进行单层或多层熔覆，涂层厚度不受限制 冷却速率高，熔覆层可以

7、获得细晶组织 熔覆效率比较高，单道熔覆层厚度可以超过1mm 可以实现局部的精密熔覆和修复，减少后续加工 熔覆层和基材形成冶金结合，结合牢固。 激光熔覆热影响区小，不会破坏工件的力学性能激光熔覆技术原理图制备的激光熔覆制备的激光熔覆TiVCrAlSiTiVCrAlSi高熵合金涂层高熵合金涂层12 基材： Ti6Al4V 粉末：使用纯度达99.5%的高纯粉末 激光功率 2KW（CO2 激光器） 熔覆时加热到450 防止开裂。 熔覆层和基体形成良好的冶金结合。 界面很平直，由于界面温度梯度较大，最先形成平面晶组织导致的。黄灿等人用激光熔覆法制备的激光熔覆TiVCrAlSi高熵合金涂层熔覆层的宏观形貌

8、以及断面组织13制备的激光熔覆制备的激光熔覆TiVCrAlSiTiVCrAlSi高熵合金涂层高熵合金涂层l 熔覆层的硬度超过700HV，远远高于基材l 加热到800 保温24h后退火，发现熔覆层硬度有少量升高l 熔覆层分为了两相，较硬的硅化物A和较软的BCC固溶体相Bl 因为Si元素的存在，并没有得到完全的固溶体相，但是得到了软相和硬相的复合组织，硬质相弥散分布起到了弥散强化的作用14图：800 保温24h后退火，出现Al8(V,Cr)5相，A相和C相为 (Ti,V)5Si3 ，B相为 BCC 相，D相为Al8(V,Cr)5和BCC相混合 从XRD结果可以看出，熔覆层的组织变化不大 金相组织变

9、化很小，只是在原来的BCC相中析出了少量的金属间化合物，反而使硬度得到提高800 800 保温保温24h24h后的组织分析后的组织分析TiVCrAlSiTiVCrAlSi熔覆层的耐磨性能（熔覆层的耐磨性能（1/21/2）u实验条件：实验条件： 摩擦体使用4 mm 直径 GCr15 钢球，硬700HV0.2。 1KG加载，试验时间60分钟，使用 5, 10, 15 Hz等 不同的频率进行试验。 可以看到TiVCrAlSi高熵合金熔覆层的磨损速率远低于基体Ti6Al4V16磨损机理：左边： Ti6Al4V 明显的塑性变形，显微切削，形成沟痕。右边： TiVCrAlSi高熵合金熔覆层，疲劳磨损机理，

10、表层微观组织受磨粒反复作用的应力超过材料表面的疲劳极限，出现片状剥落。TiVCrAlSiTiVCrAlSi熔覆层的耐磨性能（熔覆层的耐磨性能（2/22/2）TiVCrAlSiTiVCrAlSi熔覆层的抗氧化性熔覆层的抗氧化性17 熔覆层表面生成了一层很薄的致密的氧化膜，氧化膜厚度约5nm，紧紧依附于熔覆层表面，产生了很好的保护作用。 氧化膜由SiO2，Cr2O3，TiO2，Al2O3和少量的V2O5组成，多种氧化物相互配合，起到了很好的保护作用。 并且熔覆层在氧化膜形成后，增重基本停止，而Ti6Al4V一直持续的增重，说明钛合金高温下形成的氧化膜无法起到保护的作用。a 经过800 退火处理后的

11、TiVCrAlSi熔覆层b 高温下的氧化增重b参考文献参考文献181. Jien-Wei Yeh, Sew-Kai Chen. Nanostructured high-entropy alloys with multiple principal elements Novel alloy design concepts and outcomes .Advance Engineering Materials （2004）3. Can Huang a, Yongzhong Zhang. Dry sliding wear behavior of laser clad TiVCrAlSi high en

12、tropy alloy coatings on Ti-6Al-4V substrate, Materials and Design, (2012)4. Can Huang, Yongzhong Zhang. Thermal stability and oxidation resistance of laser clad TiVCrAlSi high entropy alloycoatings on Ti6Al4V alloy, Surface & Coatings Technology, (2011)5. Yong Zhang,* Yun Jun Zhou. Solid-Solutio

13、n Phase Formation Rules forMulti-component Alloys. Advance Engineering Materials.(2008)6. S. Ranganathan. Alloyed pleasures: Multimetallic cocktails. RESEARCH NEWS. (2003)7. Jien-Wei Yeh. Alloy Design Strategies and Future Trends in High-Entropy Alloys. The Minerals, Metals & Materials Society.(2013)8. O.N. Senkov , G.B. Wilks. Mechanical properties of Nb