WC和Al2O3对氩弧熔覆FeAlCoCrCuTi0.4高熵合金涂层组织和耐冲蚀性能影响

中图分类号：TG 47
文献标识码：A
doi：10.12073/j.hjxb.2019400194
0 序 言
摩擦磨损行为发生在生产生活中的各个方面， 相关统计数据表明，仅金属材料磨损所导致的设备 损害占其总事件的 80% 左右，保守估计每年所造成 的经济损失达千亿美元以上[1]. 通过适当的表面改 性方法在机器零部件表面制备耐磨涂层无疑是一 种既成本低廉又能显著减少磨损的可行办法. Yang 等人[2] 研究发现利用等离子喷涂法制备的 Al2O3， Al2O3-Cr2O3，Al2O3-Y3Al5O12(YAG) 涂层在相同条 件下的摩擦系数可以分别达到 0.2225，0.1916 和 0.1905. 韩婷婷等人[3] 通过火焰喷涂技术在 AZ31B 镁合金基体上制备了 Al-80%Mg3Sb2 涂层，结果表 明，涂层磨损率比基体下降了 63.26%. 蔡玮玮等人[4] 利用等离子熔覆技术制备的 Fe 基 B4C 涂层的耐磨 粒磨损性能是基体 16Mn 钢的 7 倍以上.
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焊接学报
第 40 卷
上，利用 WS-500 型交直流脉冲钨极氩弧焊机采
用单道熔覆的方式进行熔覆，熔覆参数为电流
170 A、速度 75 mm/min、氩气流量 6 L/min、电弧长
度 3 mm.
利用 Canon G1X Mark Ⅱ型专业数码相机和
USB 数码显微镜 (搭配 MicroCapture 软件) 观察试
董世知1， 孟 旭1， 马 壮1,2， 赵越超3
(1. 辽宁工程技术大学，阜新 123000；2. 辽宁科技学院，本溪 117300；3. 烟台南山学院，龙口 265713)
摘 要： 利用氩弧熔覆技术制备了 FeAlCoCrCuTi0.4， WC/Al2O3-FeAlCoCrCuTi0.4 高熵合金涂层，并通过 XRD，
高熵合金[5] 是近些年发展起来的有望成为新 一代工程结构材料的新型合金. 它由 5 ~ 13 种元素 按等摩尔或近等摩尔比构成，其所具有的高混合熵 和低自由能等特点，塑造了高熵合金以简单 Fcc 和 Bcc 为主的独特晶体结构，赋予了它优于传统合金
收稿日期：2018 − 07 − 01 基金项目：辽宁省教育厅科学技术研究一般项目 (551501108)
2 试验结果与分析
2.1 显微结构分析 2.1.1 涂层截面形貌及稀释率分析
图 1 为各涂层的截面形貌. 由图可以看出熔覆 涂层成形性良好，涂层表面均匀，无气孔、裂纹、夹 渣等缺陷产生；且在保证较低稀释率的前提下 (表 1)，涂层与基体呈高强度冶金结合.
样截面形貌，并测量熔覆层厚度 (H) 和基体熔深
(h)，计算涂层稀释率（η）. 稀释率按式 (1) 计算，即
η = h/(H + h)
(1)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
采用 Axiovert 40 MAT 型倒置式金相显微镜、 JSM-7500F 型 扫 描 电 子 显 微 镜 (SEM) 及 能 谱 仪 (EDS) 观察涂层截面显微组织和进行组织成分分 析. 通过 HV-1000Z 自动转塔显微硬度计测量涂层 截面硬度，载荷 1 kg. 试样线切割成 10 mm × 8 mm × 6 mm 方块，将保留有涂层一面打磨平整，其余面用
第 40 卷 第 7 期 2019 年 7 月
焊接学报
TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION
Vol.40(7):127 − 132 July 2019
WC 和 Al2O3 对氩弧熔覆 FeAlCoCrCuTi0.4 高熵合金涂 层组织和耐冲蚀性能影响
1 试验方法
试 验 选 用 纯 度 大 于 99.9% 的 Fe， Al， Co， Cr， Cu， Ti， WC 和 Al2O3 粉 末 为 原 料 ， 粉 末 颗 粒 度 38.5 ~ 74 μm. 将粉末按 FeAlCoCrCuTi0.4 摩尔比 混合后添加 10 %WC(Al2O3)(质量分数) 研磨足够 均匀，滴加适量水玻璃调节混合粉末粘性，利用 WE-30 液压式万能试验机在 150 kN 的压力下压制 成 80 mm × 10 mm × 3 mm 的长方体预制块. 将预 制块阴干 24 h 后在 180 ℃ 下烘干 2 h，将预制块置 于尺寸为 100 mm × 40 mm × 8 mm 的 Q235 基体
的高硬度、高强度、良好耐磨性、优秀的抗高温氧化 性等一系列性能特点[6-8]. 氩弧熔覆技术广泛应用 于材料表面改性领域，相比于设备成本昂贵的激光 熔覆和等离子熔覆工艺、制备涂层薄弱的热喷涂和 化学沉积工艺，氩弧熔覆技术设备及运行成本低、 操作灵活、涂层结合牢固[9-10]，且在氩气保护下可以 最大程度上减少元素的氧化和烧损，实际应用性较 强. 采用氩弧熔覆技术在 Q235 钢基体上制备了 WC 和 Al2O3 增 强 FeAlCoCrCuTi0.4 高 熵 合 金 涂 层，并对熔覆层的形貌、显微组织和相结构、硬度、 耐磨性能进行了研究.
热熔胶封闭，置于 MAH 型冲蚀磨损试验机中进行 冲蚀磨损试验，冲蚀磨损条件为冲蚀温度室温、冲 蚀介质 (水砂体积比为 5:1.6)、冲蚀角度 90°、转速 (200，300，400 r/min)、冲蚀时间 2 h(每隔 30 min 取 出称量一次)，采用精度为 0.1 mg 的 FA1004N 型电 子天平称量并计算单位面积磨损量.
Cr 固溶体) 构成，晶粒以胞状树枝晶形式存在. 添加 WC 后，晶粒细化明显，在各种强化作用下涂层硬度为 685.8 HV.
且 WC 和 Al2O3 的添加显著提高了涂层耐冲蚀磨损性能，耐磨性几乎可以达到 FeAlCoCrCuTi0.4 高熵合金涂层的
2 倍.
关键词： 高熵合金；复合涂层；硬度；耐冲蚀磨损
SEM，EDS，硬度测试和冲蚀磨损测试等方法，探究了 WC 和 Al2O3 的添加对 FeAlCoCrCuTi0.4 高熵合金涂层显微 组织和性能的影响. 结果表明，通过氩弧熔覆技术所制备的合金涂层表面成形性良好，无孔洞、裂纹等缺陷产生，与
基体呈高强度冶金结合. WC 和 Al2O3 的添加对涂层稀释率的降低有显著作用. 三种涂层都是主要由 Bcc 相 (Fe-