冶金工程|Ti和C元素对AlCu(NiCr)2Mo高熵合金熔覆层组织与性能的影响

汉斯出版社

2024-06-21

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导读：

采用TIG电弧熔覆技术和旁轴送丝的方式，在45#钢基体表面制备了AlCu(NiCr)2MoX (X = Ti、C、Ti和C)高熵合金熔覆层，探究了Ti和C元素分别加入和同时加入对AlCu(NiCr)2Mo高熵合金组织与性能的影响。结果表明：AlCu(NiCr)2Mo高熵合金熔覆层组织由面心立方结构(FCC)的单一固溶体相组成。Ti和C元素分别加入后，熔覆层组织由FCC + BCC相组成，FCC相的主衍射峰位置基本没变，但其衍射峰强度降低，与此同时，熔覆层的磨损率相比AlCu(NiCr)2Mo高熵合金减少了97.43%，平均显微硬度提高至687.81 HV0.2和543.08 HV0.2。Ti和C元素同时加入，熔覆层组织由FCC + BCC + TiC相组成，熔覆层的磨损率相比AlCu(NiCr)2Mo高熵合金减少了98.53%，平均显微硬度提高至388.26 HV0.2。

基本信息：

Ti和C元素对AlCu(NiCr)2Mo高熵合金熔覆层组织与性能的影响

Effects of Ti and C Elements on Microstructure and Properties of AlCu(NiCr)2Mo High Entropy Alloy Cladding Layer

作者：

强海成：兰州交通大学机电工程学院，甘肃兰州

关键词:

TIG熔覆；高熵合金；磨损率；显微硬度

项目基金：

国家自然科学基金(52075235)

甘肃省科技计划项目(2022JR5RA314，22YF7WA151，22YF7GA138，23CXGA0151)

甘肃省教育厅产业支撑计划项目(2022CYZC-31)

甘肃省科协创新驱动力工程项目(GXH20230817-10)

原文链接：

https://doi.org/10.12677/meng.2024.112007

内容简介：

在汉斯出版社《冶金工程》期刊上，有论文采用自制的 AlCu(NiCr)2MoX 缆式焊丝，利用 TIG 熔覆技术和旁轴送丝的方式在 45#钢基体表面制备了高熵合金熔覆层，并用 XRD-7000X 射线衍射仪、附带能谱仪的 QUANTA FEG 450 场发射扫描电子显微镜、HXD-1000TM 数字式显微硬度计及 HT-1000 摩擦磨损试验机对高熵合金熔覆层的物相、微观组织结构、硬度及耐磨性进行表征和分析。

试验熔覆基材为 45#钢，平均尺寸为 5 mm × 100 mm × 100 mm，化学成分如表 1 所示。熔覆前，使用角磨机对基材表面打磨至光滑，并用丙酮或酒精溶液清洗基材表面油污和铁锈。熔覆材料为直径0.5 mm 的 Al 丝、Cu 丝、(NiCr)合金丝、Mo 丝、Ti 丝及碳纤维，利用实验室自制的绞丝机绞合制成成分分别为 AlCu(NiCr)2Mo、AlCu(NiCr)2MoTi、AlCu(NiCr)2MoC、AlCu(NiCr)2MoTiC 的单股缆式焊丝，分别记为 S1、S2、S3、S4，其中下标表示金属丝数量。

熔覆设备采用奥太 WSME-630 逆变式多功能弧焊机，本试验影响熔覆层质量的工艺参数主要为熔覆电流、机器人的扫描速度和送丝机的送丝速度。采用控制变量法依次改变熔覆电流、送丝速度和扫描速度，在 45#钢表面制备了 28 道熔覆层，通过初步筛选具有较好宏观形貌的熔覆层来确定最优工艺参数。

焊后用电火花线切割机从单道熔覆的合金熔覆层切下 15 mm × 8 mm × 5 mm(熔宽方向×熔高方向×熔覆方向)的试样，依次用 60#、120#、240#、400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#的砂纸打磨，并用抛光机抛光至镜面无划痕，然后用附带能谱仪的 QUANTA FEG 450 场发射扫描电子显微镜进行微观组织与成分分析。

图 4 为 AlCu(NiCr)2MoX (X = Ti、C、Ti 与 C)高熵合金熔覆层的 XRD 衍射图。由图可知，AlCu(NiCr)2Mo(S1)高熵合金熔覆层组织由面心立方(FCC)结构的单一固溶体相组成，未形成其他相，结构相对简单，这是由于 Cu (128 pm)、Ni (125 pm)、Cr (128 pm)具有相近的原子半径，可以形成无序的 FCC 单一固溶体相，由此表明 AlCu(NiCr)2Mo 高熵合金具有较高的热稳定性。

表 2 为合金熔覆层截面的 EDS 分析结果。

图 6 为 AlCu(NiCr)2MoX 高熵合金熔覆层表面的摩擦系数曲线。由图可知，熔覆层在摩擦磨损试验过程中经历了跑合磨损阶段和稳定磨损阶段两个阶段。

表 3 为 AlCu(NiCr)2MoX 高熵合金熔覆层表面的平均磨损截面面积，图 7 为对应高熵合金熔覆层表面摩擦磨损测试的磨损率。由图可知，AlCu(NiCr)2MoTi(S2)和 AlCu(NiCr)2MoC(S3)高熵合金熔覆层表面的磨损率相等，由于S2和S3中 BCC相的生成增加了其强度，磨损率相比 AlCu(NiCr)2Mo(S1)减少 97.43%，耐磨性有所提高。AlCu(NiCr)2MoTiC(S4)高熵合金熔覆层表面的磨损率相比 S1减少 98.53%，磨损率最低，耐磨性最佳，这得益于 BCC 相及 TiC 硬质相的生成。

图 9 为 AlCu(NiCr)2MoX 高熵合金熔覆层截面从熔覆层顶部余高开始，经过熔合线直至基体的显微硬度变化情况，表 4 为熔覆层的平均显微硬度。由图可知，AlCu(NiCr)2Mo(S1)和 AlCu(NiCr)2MoTiC(S4)熔覆层的显微硬度变化较为平稳，平均显微硬度分别为 370.98 HV0.2、388.26 HV0.2，硬度较低。AlCu(NiCr)2MoTi(S2)和 AlCu(NiCr)2MoC(S3)熔覆层的显微硬度变化幅度较大，平均显微硬度分别为 687.81 HV0.2、543.08 HV0.2。

结论

1) AlCu (NiCr)2 Mo 高熵合金熔覆层组织由 FCC 相组成，分别加入 Ti 或 C 元素后，熔覆层组织由 FCC 相转变为 FCC + BCC 相。Ti 和 C 元素同时加入，熔覆层组织转变为 FCC + BCC + TiC 相。BCC 相和 TiC 的存在增加了其强度和耐磨性。

2) 高熵合金熔覆层的平均摩擦系数在 0.263~0.565 之间，且摩擦系数在 15 分钟后变得较为平稳。Ti 或 C 元素的加入使得 AlCu(NiCr)2MoTi 和 AlCu(NiCr)2MoC 高熵合金熔覆层表面的磨损率相比 AlCu(NiCr)2Mo 减少 97.43%，AlCu(NiCr)2MoTiC 高熵合金熔覆层表面的磨损率相比 AlCu(NiCr)2Mo 减少 98.53%。熔覆层磨损表面出现了由粘着磨损、磨粒磨损和疲劳磨损引起的不同程度的熔覆层剥落、犁沟划痕和撕裂。

3) AlCu(NiCr)2Mo 高熵合金熔覆层的平均显微硬度为 370.98 HV0.2，加入 Ti 或 C 元素后，熔覆层的平均显微硬度显著提高至 687.81 HV0.2和 543.08 HV0.2，AlCu(NiCr)2MoTiC 熔覆层的平均显微硬度也有所提升。

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