毕业论文-中碳钢表面高熵合金涂层工艺及性能研究

毕业设计中碳钢表面高熵合金涂层工艺及性能研究学生姓名：学号：机械工程系系部：机械工程系材料成型及控制工程专业：材料成型及控制工程指导教师：二○一五年六月诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名：年月日

毕业设计任务书设计题目：中碳钢表面高熵合金涂层工艺及性能研究系部：机械工程系专业：材料成型及控制工程学号：学生：指导教师（含职称）：1．课题意义及目标学生应通过本次毕业设计，了解高熵合金的概念、制造方法及工艺、性能特点及应用；了解金属涂层的制备方法及工艺，了解金属材料组织和力学性能的检测方法，为学生在毕业后从事材料成型技术工作打好基础。2．主要任务（1）查阅20篇以上的科技文献。（2）完成高熵合金涂层的成分配比及制备工艺，中碳钢表面高熵合金涂层的制备。（3）中碳钢表面高熵合金涂层的显微组织观察。中碳钢表面高熵合金涂层的硬度、耐磨性等力学性能测定。（4）通过上述实验取得中碳钢表面高熵合金涂层的工艺参数、获得显微组织照片及力学性能的实验数据。（5）完成毕业设计的开题答辩、中期检查。（6）按照毕业论文的撰写要求完成毕业论文、参加答辩。3．主要参考资料[1]郭卫凡.多主元高熵合金的研究进展[J]．金属功能材料，2009，16（1）：49-53.[2]高家诚，李锐.高熵合金研究的新进展[J].功能材料，2008，39（7）：1059-1061.[3]张力.高熵合金的制备及组织与性能[D].吉林大学,2008:11-56.4．进度安排设计各阶段名称起止日期1查阅文献，完成开题报告12月1日~12月31日2阅读相关文献，制定实验方案1月1日~3月10日3完成中碳钢表面高熵合金涂层的制备及中期检查3月11日~4月30日4完成力学性能测定及实验结果分析5月1日~5月15日5撰写毕业论文，准备答辩5月16日~6月10日审核人：2014年12月15日前言高熵合金随着合金业的发展，传统的以单一组元为基础发展的合金体系已经逐渐饱和，基于这种情况，冶金科学家就有了新的追求目标，那就是突破以一种或两种金属元素为主的传统合金的发展框架。20世纪90年代，台湾科学家提出了高熵合金设计思路，这与传统合金设计理念不同。高熵合金在近几年的研究中所表现出的各方面的良好性能，引起科学界的普遍关注和积极探索。纯金属的硬度一般都很低，不适合做结构材料。因此目前应用的金属材料绝大多数都是合金。这种由2种或2种以上的金属，或金属与非金属，经熔炼，烧结或其他方法组合而成并具有金属特性的合金正得到越来越广泛的应用。目前常用的合金有锡青铜，低合金钢，高速钢，不锈钢，高温合金，铝合金，自熔合金等。几千年来，随着合金体系的发展，人类已开发使用的实用合金系共有30余种。目前应用的合金系统大多是以单一组元为基础发展起来的。例如钢铁材料和铝合金，Fe基，Ni基，Co基的超合金；起源于20世纪50年代的二元基金属间化合物也是以2种金属为基础发展起来的。非晶合金作为一种新型的合金，其优良的特性和广泛的应用潜能使其制备，发展和应用都得到了普遍关注，但其仍没有摆脱基于1~2种主要元素来提高其性能的化合物的特点。合金中如果元素过多，会形成许多的金属间化合物，这些金属间化合物和复杂相会导致合金性能的恶化，就像脆性和难以加工；同时，材料的组织和成分分析会遇到很大的困难，阻止了合金向多主元方向发展。中国台湾学者率先脱离传统合金的发展框架，提出多主元合金高熵合金概念，从此一种新的合金设计理念就诞生了。表面涂层表面涂层是用于改善物体表面性能的涂层材料。常见的表面涂层技术有：1）堆焊技术；2）熔结技术；3）电镀技术；4）热喷涂技术；5）塑料喷涂技术；6）粘涂技术：7）涂装技术：8）物理、化学气相沉积。表面涂层技术配合优质涂层材料便可达到提高材料表面性能和寿命的目的。尤其是当下高熵合金的发展。高熵合金的制作方法较多，但使用整块高熵合金作材料，成本依然很高。而表面涂层技术用少量的材料即可达到大量、昂贵的整体材料的性能,同时又极大地降低了产品的加工成本。利用表面涂层技术赋予材料表面耐磨、耐蚀、耐热、耐疲劳、耐辐射以及光、热、电、磁等特殊功能,从而达到提高产品质量、延长使用寿命、节约能源的目的。表面涂层在提高材料的使用性能,扩大材料的使用范围,实现材料功能复合等方面具有重要意义。2高熵合金涂层的制备2.1配制高熵合金2.1.1成分设计及原料准备原材料为高纯度（99.99%）的Al、Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti、Si。用真空熔炼炉熔炼AlCrCoFeNiMoTixSiy高熵合金，其成分设计见表2.1.1。表2.1合金成分设计AlCrCoFeNiMoTiSi物质的量(mol)0.0680.0680.0680.0680.0680.0680.0680.068摩尔比11111111相对分子质量2752595659964828质量（g）1.8363.5364.0123.8084.0126.5283.2641.9042.2粘结剂的配制1°：取两块松香，将其凿成细小的颗粒。2°：将颗粒松香研磨成粉末，并用筛子过滤，目的就是要筛出极其微小的松香粉末颗粒。3°：在微电子称上放一张滤纸，在上面称得松香10克。4°：在电子称上称出空小烧杯的质量，计下其质量后倒入松节油，保证去掉烧杯质量后，松节油的质量是30克。5°：混合10克松香与30克松节油配制成饱和溶液，即表面涂层粘结剂。6°：将配制好的饱和溶液放置一段时间，以备实验时使用。2.3高熵合金涂层试样的制备1°：取少量松香和松节油的饱和溶液在烧杯内。2°：取一定量前面已经制备好的高熵合金粉末，放进盛有松香和松节油饱和溶液的烧杯内，用玻璃棒缓慢搅拌，使高熵合金和松香与松节油饱和溶液充分结合，变成泥状混合物。注意：配制成的涂层不宜过稀或过稠，不利于将其涂到中碳钢表面。3中碳钢表面高熵合金涂层工艺研究3.1将高熵合金涂在基体表面1°：取8块中碳钢试样，选择平整的表面，用砂纸打磨掉上面的氧化铁锈；2°：将打磨好的中碳钢试样，放在煤油中清洗，再用吹风机将中碳钢表面吹干；3°：将配制好的高熵合金均匀涂在8块中碳钢表面，涂层厚度为1.0-2.0mm。用光滑平整的工具辅助涂抹粘结剂，使涂好的涂层表面保持平整光滑，以便于后期打磨其表面，获得光滑平面，易于观察其金相组织。3.2烘干中碳钢的表面涂层为了使表面涂层快速烘干，将8块试样放置在恒温加热炉里加热和保温；1°：将8块试样放进恒温加热炉内；2°：设定恒温温度为100℃。并打开开关开始加热，使炉内温度升至100℃；3°：100℃恒温保存试样5小时；4°：恒温保存结束后，不急于进行下一试验，应搁置试样较长时间冷却。3.3在真空加热炉内高温加热，恒温保存将8块涂有高熵合金涂层的试样分成四组，每组进行不同的加热过程。1°分阶段加热到1200℃，再恒温保存2小时。1）真空加热炉程序：表3.1第一组烧结过程中的程序输入提示符输入数据意义C010起始温度T0160从0—500℃升温60minC02500第一个目标温度值T0210500℃保温10minC03500第二个目标温度值T0360从500—1200℃升温60minC041200第三个目标温度值T041201200℃保温120minC051200第四个目标温度值T05120从1200—200℃降温120minC06200第五个目标温度值T06-121程序运行结束，自然降温2）对应的T-H曲线图为图3.1第一组实验烧结过程中的温度变化示意图2°分阶段加热到1100℃，再恒温保存2小时。1）真空加热炉程序：表3.2第二组实验烧结过程中的程序输入提示符输入数据意义C010起始温度T0160从0—500℃升温60minC02500第一个目标温度值T210500℃保温10minC03500第二个目标温度值T0360从500—1100℃升温60minC041100第三个目标温度值T041201100℃保温120minC051100第四个目标温度值T0560从1100—700℃降温60minC06700第五个目标温度值T6-121程序运行结束，自然降温2）对应的T-H曲线图为图3.2第二组实验烧结过程中的温度变化示意图3°分阶段加热到1100℃，再恒温保存3小时。1）真空加热炉程序：表3.3第三组实验烧结过程中的程序输入提示符输入数据意义C010起始温度T0160从0—500℃升温60minC02500第一个目标温度值T0210500℃保温10minC03500第二个目标温度值T0360从500—1100℃升温60minC041100第三个目标温度值T041801100℃保温180minC051100第四个目标温度值T0560从1100—700℃降温60minC06700第五个目标温度值T06-121程序运行结束，自然降温2）对应的T-H曲线图为图3.3第三组实验烧结过程中的温度变化示意图4°分阶段加热到1000℃，再恒温保存3小时。1）真空加热炉程序：表3.4第四组实验烧结过程中的程序输入提示符输入数据意义C010起始温度T0160从0—500℃升温60minC02500第一个目标温度值T0210500℃保温10minC03500第二个目标温度值T0360从500—1000℃升温60minC041000第三个目标温度值T041801000℃保温180minC051000第四个目标温度值T0560从1000—700℃降温60minC06700第五个目标温度值T06-121程序运行结束，自然降温2）对应的T-H曲线图为图3.4第四组实验烧结过程中的温度变化示意图4中碳钢表面高熵合金涂层组织研究4.1中碳钢基体表面（只经过加热和烘干）的组织研究4.1.1中碳钢试样的打磨，抛光1°：准备两块中碳钢试样；2°：选择平整表面，进行粗磨；3°：再对该表面进行精磨；4°：进行抛光。4.1.2观察收集中碳钢表面的金相组织相图在XJP-3A光学显微镜下，放大500倍后观察到清晰明显的组织图像后，用与显微镜配套的照相机拍下清晰的组织照片。如图：图4.1中碳钢表面的金相组织相图4.2第一组中碳钢表面（1200℃；保温2小时）高熵合金涂层试样4.2.1第一组试样的打磨，抛光1°：准备第一组的中碳钢表面高熵合金涂层试样；2°：先将试样表面上的高熵合金轻轻敲打脱落；3°：对该表面进行细磨；4°：继续对该表面进行精磨；5°：进行抛光。4.2.2观察收集第一组中碳钢表面高熵合金涂层试样的金相组织相图在XJP-3A光学显微镜下，放大500倍后观察到清晰明显的组织图像后，用与显微镜配套的照相机拍下清晰的组织照片。如图：图4.2第一组中碳钢表面高熵合金涂层试样的金相组织相图4.3第二组中碳钢表面（1100℃；保温2小时）高熵合金涂层试样4.3.1第二组试样的打磨，抛光1°：准备第二组的中碳钢表面高熵合金涂层试样；2°：先将表面上的高熵合金轻轻敲打脱落；3°：对该表面进行细磨；4°：继续对该表面进行精磨。5°：进行抛光。4.3.2观察收集第二组中碳钢表面高熵合金涂层试样的金相组织相图在XJP-3A光学显微镜下，放大400倍后观察到清晰明显的组织图像后，用照相机对准目镜即可拍下当前的组织图像。如图：1010μm图4.3第二组中碳钢表面高熵合金涂层试样的金相组织相图4.4第三组中碳钢表面（1100℃；保温3小时）高熵合金涂层试样4.4.1第三组试样的打磨，抛光1°：准备第三组的中碳钢表面高熵合金涂层试样；2°：先将表面上的高熵合金轻轻敲打脱落；3°：对该表面进行细磨；4°：继续对该表面进行精磨。5°：进行抛光。4.4.2观察收集第三组中碳钢表面高熵合金涂层试样的金相组织相图在XJP-3A光学显微镜下，放大400倍后观察到清晰明显的组织图像后，用照相机对准目镜即可拍下当前的组织图像。如图：1010μm图4.4第三组中碳钢表面高熵合金涂层试样的金相组织相图4.5第四组中碳钢表面（1000℃；保温3小时）高熵合金涂层试样4.5.1第四组试样的打磨，抛光1°：准备第四组的中碳钢表面高熵合金涂层试样；2°：先将表面上的高熵合金轻轻敲打脱落；3°：对该表面进行细磨；4°：继续对该表面进行精磨。5°：进行抛光。4.5.2观察收集第四组中碳钢表面高熵合金涂层试样的金相组织相图在XJP-3A光学显微镜下，放大400倍后观察到清晰明显的组织图像后，用照相机对准目镜即可拍下当前的组织图像。如图：1010μm图4.5第四组中碳钢表面高熵合金涂层试样的金相组织相图4.6本章小结（1）1200℃，保温2小时；1100℃，保温2小时，不同温度下保温相同时间，金相组织对比图如图：图4.61200℃和1100℃下保温2小时金相组织对比图由金相组织对比图可以看出：保温2小时的情况下，1200℃下烧结比1100℃下烧结高熵合金的渗入更多，且分布更均匀。（2）1100℃，保温2小时；1100℃，保温3小时，相同温度下保温不同时间，金相组织对比图如图：图4.71100℃下保温2小时和保温3小时金相组织对比图由金相组织对比图可以看出：1100℃烧结的情况下，保温3小时比保温2小时高熵合金的渗入更多，且更均匀。（3）1100℃，保温3小时；1000℃，保温3小时，相同温度下保温不同时间，金相组织对比图如图：图4.81100℃和1000℃下保温3小时金相组织对比图由金相组织对比图可以看出：保温3小时的情况下，1100℃下烧结比1000℃下烧结高熵合金渗入更多；但1000℃下烧结比1100℃下烧结高熵合金分布更均匀。观察五组显微组织，中碳钢的组织为铁素体和珠光体。涂有高熵合金涂层的四组试样，均能观察到不同程度的高熵合金渗入层，显微组织中发亮的地方即为高熵合金渗入层。从第一组试样到第四组试样，基本规律是高熵合金渗入层逐渐减小。从第一组到第四组的涂层组织还可以观察到高熵合金在基体表面分布不是很均匀的现象。综上，真空烧结的最佳工艺：1）先在恒温加热炉里（100℃）加热和保温5小时。2）分阶段加热到1200℃，再恒温保存2小时，即第一组中碳钢试样所用的工艺。中碳钢表面高熵合金涂层力学性能研究5.1中碳钢表面力学性能研究在前面的观察中碳钢表面时，已经经过了打磨、抛光，可直接使用这个表面进行力学性能研究。用显微维氏硬度仪测得中碳钢表面硬度数据：测试零件名称(Nameofthehardwareinthetest):测试零件名称测试时间(Testtime):2015-04-2218:31:09试样号(SampleNo.):仪器号(InsturmentNo.):MICRO-586试验力(TestForce):200力保持时间(Durationofforce):10试验次数(TestTimes):3显微镜倍率(MicroscopeMagnification):40压头钢球直径(Presssteelballdiameter):2.5试验值(TestValue):第1次(1times):d1=25.870d2=25.870HV=554.16HB=0.00第2次(2times):d1=24.731d2=24.080HV=622.66HB=0.00第3次(3times):d1=24.568d2=25.219HV=598.49HB=0.00平均值(AverageVlaue):591.77极差(Range):68.50最大值(Max.Vlaue):622.66分散度(Disperse):11.58%最小值(Min.Vlaue):554.16图5.1基体试样的表面组织图像5.2第一组中碳钢表面高熵合金涂层试样的表面力学性能研究直接使用观察第一组中碳钢表面高熵合金涂层试样表面组织图像的表面进行力学性能研究。在显微维氏硬度仪上测得第一组中碳钢表面高熵合金涂层试样的表面硬度数据为：测试零件名称(Nameofthehardwareinthetest):测试零件名称测试时间(Testtime):2015-05-1216:26:51试样号(SampleNo.):仪器号(InsturmentNo.):MICRO-586试验力(TestForce):200力保持时间(Durationofforce):10试验次数(TestTimes):3显微镜倍率(MicroscopeMagnification):40压头钢球直径(Presssteelballdiameter):2.5试验值(TestValue):第1次(1times):d1=23.266d2=29.937HV=524.10HB=500.21第2次(2times):d1=30.751d2=32.215HV=374.17HB=367.17第3次(3times):d1=31.890d2=34.981HV=331.75HB=325.75平均值(AverageVlaue):410.01极差(Range):192.35最大值(Max.Vlaue):524.10分散度(Disperse):46.91%最小值(Min.Vlaue):331.75图5.2第一组试样的表面组织图像5.3第二组中碳钢表面高熵合金涂层试样的表面力学性能研究直接使用观察第二组中碳钢表面高熵合金涂层试样表面组织图像的表面进行力学性能研究。在显微维氏硬度仪上测得第二组中碳钢表面高熵合金涂层试样的表面硬度数据为：测试零件名称(Nameofthehardwareinthetest):测试零件名称测试时间(Testtime):2015-05-2217:53:11试样号(SampleNo.):仪器号(InsturmentNo.):MICRO-586试验力(TestForce):200力保持时间(Durationofforce):10试验次数(TestTimes):3显微镜倍率(MicroscopeMagnification):40压头钢球直径(Presssteelballdiameter):2.5试验值(TestValue):第1次(1times):d1=36.608d2=38.723HV=261.42HB=257.42第2次(2times):d1=38.235d2=35.632HV=271.88HB=266.88第3次(3times):d1=36.283d2=37.259HV=274.29HB=269.29平均值(AverageVlaue):269.20极差(Range):12.87最大值(Max.Vlaue):274.29分散度(Disperse):4.78%最小值(Min.Vlaue):261.42图5.3第二组试样的表面组织图像5.4第三组中碳钢表面高熵合金涂层试样的表面力学性能研究直接使用观察第三组中碳钢表面高熵合金涂层试样表面组织图像的表面进行力学性能研究。在显微维氏硬度仪上测得第三组中碳钢表面高熵合金涂层试样的表面硬度数据为：测试零件名称(Nameofthehardwareinthetest):测试零件名称测试时间(Testtime):2015-05-2217:44:53试样号(SampleNo.):仪器号(InsturmentNo.):MICRO-586试验力(TestForce):200力保持时间(Durationofforce):10试验次数(TestTimes):3显微镜倍率(MicroscopeMagnification):40压头钢球直径(Presssteelballdiameter):2.5试验值(TestValue):第1次(1times):d1=34.656d2=36.934HV=289.46HB=283.61第2次(2times):d1=39.537d2=35.144HV=265.99HB=261.49第3次(3times):d1=36.934d2=40.513HV=247.33HB=243.33平均值(AverageVlaue):267.59极差(Range):42.13最大值(Max.Vlaue):289.46分散度(Disperse):15.74%最小值(Min.Vlaue):247.33图5.4第三组试样的表面组织图像5.5第四组中碳钢表面高熵合金涂层试样的表面力学性能研究直接使用观察第四组中碳钢表面高熵合金涂层试样表面组织图像的表面进行力学性能研究。在显微维氏硬度仪上测得第四组中碳钢表面高熵合金涂层试样的表面硬度数据为：测试零件名称(Nameofthehardwareinthetest):测试零件名称测试时间(Testtime):2015-05-2217:48:57试样号(SampleNo.):仪器号(InsturmentNo.):MICRO-586试验力(TestForce):200力保持时间(Durationofforce):10试验次数(TestTimes):3显微镜倍率(MicroscopeMagnification):40压头钢球直径(Presssteelballdiameter):2.5试验值(TestValue):第1次(1times):d1=44.581d2=47.184HV=176.17HB=-第2次(2times):d1=48.649d2=50.113HV=152.09HB=-第3次(3times):d1=47.672d2=47.184HV=164.88HB=-平均值(AverageVlaue):164.38极差(Range):24.08最大值(Max.Vlaue):176.17分散度(Disperse):14.65%最小值(Min.Vlaue):152.09图5.5第四组试样的表面组织图像5.6本章小结表5.1五组试样在不同温度和时间下的硬度对照表硬度值(HV)基体第一组第二组第三组第四组平均值591.77410.01269.20267.59164.38最大值622.66524.10274.29289.46176.17最小值554.16331.75261.42247.33152.09比较以上五组试样的硬度值，中碳钢原始组织的硬度最高，高达622.66HV。涂有高熵合金涂层的四组试样硬度依次降低，并没有起到预想中的提高中碳钢表面强硬度的作用。分析出现这种现象的原因：首先，在1000℃及1000℃以上的高温环境下，中碳钢基体已经出现软化现象。其次，在测试维氏硬度的时候，每次都是随机打点进行该点的硬度测量，我们并不能保证针头每次都能打在高熵合金渗入层上。6结论6.1组织分析观察五组显微组织，中碳钢的组织为铁素体和珠光体。涂有高熵合金涂层的四组试样，均能观察到不同程度的高熵合金渗入层，显微组织中发亮的地方即为高熵合金渗入层。从第一组试样到第四组试样，基本规律是高熵合金渗入层逐渐减小。从第一组到第四组的涂层组织还可以观察到高熵合金在基体表面分布不是很均匀的现象。造成高熵合金在基体表面分布不均的原因有以下几点：（1）在真空烧结时烧结温度和时间都会对涂层的厚度和均匀性造成影响。温度越高，等温时间越长，原子扩散越容易，渗层越厚。（2）高熵合金的组元中Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti等都是高熔点组元，这些组元在中碳钢中扩散能力较差，和基体原子的结合力也有所不同，不容易形成扩散层，所以会导致渗层变薄。（3）高熵合金粉末混合的不够均匀，导致试样表面高熵合金涂层的分布也不均匀，影响了熔渗层分布的均匀性。（4）高熵合金中添加的粘结剂也会对原子的扩散过程造成影响。6.2力学性能分析比较五组试样的硬度值，中碳钢原始组织的硬度最高，达到622.66HV。涂有高熵合金涂层的四组试样硬度依次降低，并没有起到预想中的提高中碳钢表面强硬度的作用。分析出现这种现象的原因：首先，在1000℃及1000℃以上的高温环境下，中碳钢基体已经出现软化现象。其次，在测试维氏硬度的时候，每次都是随机打点进行该点的硬度测量，我们并不能保证针头每次都能打在高熵合金渗入层上。6.3总结（1）通过多次试验得到了高熵合金涂层材料的最佳配制工艺：1）松香和松节油按1：3配制成过饱和溶液2）高熵合金八组元按摩尔比Al:Cr:Co:Fe:Ni:Mo:Ti:Si=1:1:1:1:1:1:0.75:0.25），混合搅拌均匀3）将两者混合成膏状均匀涂敷在金属基体上。真空烧结的最佳工艺：1）先在恒温加热炉里（100℃）加热和保温