钛合金表面激光熔覆高熵合金课件

1、钛合金表面激光熔覆高熵合金2015-01-201主要内容2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(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 高熵的指标混合熵大于1.5R每一种主元的含量需要大于5 at.%主元数目应大于5，最好不超过13Gibbs相率：P=C+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

2、就是高熵合金最为独特的地方高熵效应当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= H-T S G 越负的状态越稳定 H一般小于零，反映了原子之间的相互作用能 S大于零 ，反映了体系的混乱程度.高熵效应原理晶格畸变效应 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.%主元数目应大于5，最好不超过13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

3、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金的性能，而且减小了温度对性能的影响。图中这几种高熵合金都具有很高的屈服强度，并且随着铝含量的增加，强度增加（用晶格畸变增加解释）。高熵合金可以将这种性能保持到很高的温度，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AlCrFeCoNiC

4、u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的投射花样铸态AlCrFeCoNiCu合金 :在真空吸铸的方式制备AlCrFeCoNiCu高熵合金中发生了调幅分解，分为了 无序BCC相a 有序BCC相b 7-50nm的纳米沉淀c 这是由于高熵合金中的迟滞扩散效应导致的，第二相颗粒成核容易但是由于扩散过程难以进行，第二相的长大很困难。同时也导致了调幅分解带的宽度很窄，只有纳米数量级。 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:比如，通过多种高熔点金

5、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。两种高熵合金和常用的两种镍基高温合金的对比。可以看到两种高熵合金虽然在低温下强度不如inconel718 但是可以把强度保持到更高的温度，在800度以后两种高熵合金的强度都超过了inconel718 ，高熵合金主元数目越多，高温性能越好，五主元合金V Nb MoTa W的性能明显好于四主元合金Nb Mo Ta W 高熵合金和其他材料 强度和密度对比橘黄色的圈表示块体金属玻璃，其中小圆圈中的是高熵合金，下面

6、大的红圈中的是常见的金属和合金，可见高熵合金有比常规金属更高的强度。斜线方向表示了比强度的大小。约靠左上方，比强度越大。可以看到高熵合金拥有很高的比强度。制备的激光熔覆TiVCrAlSi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以及断面组织14图：800 保温24h后退火，出现Al8(V,Cr)5相，A相和C相为 (Ti,V)5

7、Si3 ，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 保温24h后的组织分析TiVCrAlSi熔覆层的耐磨性能（1/2）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： TiVCrAlS

8、i高熵合金熔覆层，疲劳磨损机理，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。TiVCrAlSi熔覆层的耐磨性能（2/2）TiVCrAlSi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TiVCrAlSi熔覆层b 高温下的氧化增重b参考

9、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 entropy alloy coatings on Ti-6A

10、l-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-Solution Phase Formation Rules forMulti-

11、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 Nb25Mo25Ta25W25andV20Nb20Mo20Ta20W