等离子熔覆AlCoCrFeNi高熵合金组织及其碳化物析出行为的研究

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多主元高熵合金是以五种或五种以上的主要元素按等摩尔或近等摩尔比组合到一起形成的合金,具有非常优良的性能。目前,对高熵合金的研究主要集中在合金系的探索、合金元素对显微结构和性能的影响,对含碳元素和强碳化物形成元素的高熵合金的研究鲜有报道。碳化物在高熵合金中的析出规律还不清楚。如果高熵合金组织中存在均匀分布的碳化物硬质相,是否可以像传统合金一样使合金强度提高。因此,开展对碳化物在高熵合金中析出行为的研究具有重要意义。本文采用粉末等离子熔覆的方法在Q235钢基体上制备了BCC结构的Al1.5CoCrFeNi高熵合金熔覆层,并在此基础上加入了强碳化物形成元素和碳元素,研究了熔覆层的显微组织结构和显微硬度,对碳化物在高熵合金中的析出行为进行了探索。  Al1.5CoCrFeNi合金组织呈树枝晶状,具有简单的BCC结构。在Al1.5CoCrFeNi高熵合金中加入Nb和C元素后,合金基体仍为树枝晶结构,熔覆层中有碳化铌析出,碳化铌大多在枝晶间析出,随着Nb和C加入量的增多,碳化铌形态逐渐由颗粒状变为十字状和长条状,尺寸也不断增加。碳化钒在Al1.5CoCrFeNi高熵合金中的析出规律与碳化铌相似,多数在枝晶间形核长大,碳化钒形状分为多边形颗粒状和十字状,呈树枝状分布。  碳化物增强的高熵合金熔覆层的硬度较基体合金熔覆层显著提高,相同含量的碳化钒比碳化铌强化效果明显。随着碳化铌析出量的增多,高熵合金熔覆层的相对耐磨性不断提高,Al1.5CoCrFeNi(NbC)0.3和Al1.5CoCrFeNi(NbC)0.4的相对耐磨性均达到了高铬铸铁的6倍左右。  对Al1.5CoCrFeNi(NbC)0.2高熵合金熔覆层热处理后,基体中有以γ相为基础的FCC固溶体相析出,碳化铌形态以十字状为主。热处理后,熔覆层硬度略有下降,随着热处理时间的增长,熔覆层硬度并没有出现大幅度降低,说明高熵合金熔覆层具有优良的回火稳定性。  通过对Al1.5CoCrFeNi(NbC)0.1高熵合金熔覆层热处理前后的试样进行TEM观察,热处理后合金中有二次碳化物析出,碳化物与基体结合良好,没有缺陷,这些都有利于基体对碳化物的支撑作用,从而提高合金的耐磨性能。
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