FeCoNiCuCrMn高熵合金涂層性能研究

彭佳，顏子博，劉興元

(四川建筑職業技術學院材料工程系，四川德陽618000)

FeCoNiCuCrMn高熵合金涂層性能研究

彭佳，顏子博，劉興元

(四川建筑職業技術學院材料工程系，四川德陽618000)

利用鎢極氣體保護焊的方法，在Q235基片上成功制備了FeCoNiCuCrMn高熵合金涂層。XRD結果顯示，該涂層形成了簡單的FCC結構。室溫條件下該涂層的顯微硬度達到了435HV0.5，經過850℃退火，涂層的硬度幾乎沒有變化，表現出良好的高溫穩定性。FeCoNiCuCrMn涂層的磨損體積和摩擦系數優于S50C鋼。

鎢極氣體保護焊;高熵合金

隨著現代工業的發展，迫切需要能應對極端工程環境的硬質涂層材料。以TiN為代表的硬質涂層已經難以適應工程的需要，開發耐磨性好，硬度高，耐高溫的新型涂層材料成為亟待解決的關鍵課題。2004年，臺灣學者葉均蔚教授突破傳統的合金設計觀念，創新性地提出了多主元合金，并命名為高熵合金(High－Entropy Alloy，HEA)［1－2］。一般認為，高熵合金是指包含5～13種合金元素，組成元素不分主次，含量均在5%～35%，并能夠形成高熵固溶體的合金。大量文獻報道了高熵合金具有高強度、高硬度、高耐回火軟化、高耐磨性、高抗氧化性，耐腐蝕等優異性質［3－7］。

基于高熵合金理念的涂層材料，無疑成為最有研究價值的硬質涂層之一。目前，傳統的涂層制備方法均已被用于高熵合金涂層，如激光熔覆［8］，鎢極氣體保護焊［9］，電化學沉積［10］和磁控濺射［11］等。其中，鎢極氣體保護焊設備簡單，成本低廉，操作簡便，可以實現現場制備，具有重要的研究價值。

1 實驗

1.1 涂層的制備

選用純度99%以上，細度200目的金屬Fe，Cr，Mn，Ni，Co，Cu粉，按照等摩爾比將其在攪拌罐中充分混合均勻。再與適量的有機溶劑混合，攪拌成糊狀。將糊狀混合物涂覆在40 mm×20 mm×10 mm的清潔的Q235基片上，涂覆層厚度控制在1.5～2 mm，表面應平整。然后在烤箱中烤干備用。利用鎢極氣體保護焊熔覆涂覆層，具體參數如表1所示。根據后續實驗的要求，將熔覆后的樣品進行線切割、打磨、清洗，加工成待測樣品。

表1 鎢極氣體保護焊參數

1.2 XRD

采用X射線衍射儀(XRD)DX－2600型分析涂層的結構，掃描電壓為30 kV，范圍30°～80°，步長為0.06°。

1.3 顯微硬度

采用HXD－1000 Knoop顯微硬度儀測試涂層硬度，加載停留15 s，測試10個點，求平均值。

1.4 摩擦性能

采用瑞士CSEM公司摩擦實驗機，以Pin－On－Disc無潤滑的方式評價涂層的耐磨損性能，磨球是直徑為6 mm的SiC。

2 實驗結果及討論

2.1 XRD實驗

圖1為FeCoNiCuCrMn涂層的XRD圖樣，可以看出，Fe－CoNiCuCrMn涂層呈現出簡單的FCC結構，衍射峰分別在大約44°、50.5°和75°的位置。該峰位很接近α－Cu的特征峰位，可以推斷，其余的Fe、Co、Ni、Cr、Mn元素分散在以Cu為基體的FCC的固溶體中，而不是形成復雜的中間相，說明成功制備了高熵合金涂層。

圖1 FeCoNiCuCrMn涂層的X射線衍射圖

根據玻爾茲曼的假設［12］，假設合金(固溶體)晶體中的原子總數為n。其摩爾混合熵可表述為

式中R為氣體常數，當n越大時，混合熵就越高。而根據熱力學定律，吉布斯自由能與混合熵的關系為

熵的增加會大大降低吉布斯自由能，而吉布斯自由能更低的結構將會優先形成。當高熵效應導致的自由能低于金屬間化合物的自由能時，在凝固過程中將優先形成簡單的高熵固溶體，而不是復雜的金屬間化合物。

2.2 顯微硬度實驗

FeCoNiCuCrMn涂層厚度約為1.2 mm，測定了從涂層表面到基片表面不同位置的顯微硬度，結果如圖2所示，涂層表面的最大硬度達到了約435HV0.5，比基底提高了約50%。這種高硬度可以歸結為在制備過程中，快速的冷卻速率導致的細晶強化和析出強化［13］。圖3是涂層分別經過550～950℃高溫退火5 h后硬度的變化情況?？梢钥闯觯钡?50℃退火，涂層的硬度有比較明顯的下降，大約為370HV0.5。而550～850℃退火對涂層的硬度幾乎沒有影響，能大致保持穩定，表現出良好的耐高溫性。這一結果與以前的文獻報道基本一致［14］。這一現象與多主元的高熵效應有關［15］，在退火處理過程中，不同的主元因為原子半徑不同，晶格發生了畸變，導致元素之間的協同擴散和重新分布溶質元素比常規合金要慢的多。因此，850℃以下溫度的退火對涂層硬度幾乎沒有影響。

圖2 FeCoNiCuCrMn涂層的顯微硬度

圖3 經高溫退火后涂層硬度的變化

2.3 摩擦實驗結果

圖4顯示了FeCoNiCuCrMn涂層的磨損體積損失，并與耐磨的S50C鋼進行了對比。實驗接觸應力為262MPa，在無潤滑條件下，分別以0.603 m/s，0.905 m/s，1.206 m/s的速度滑動了542.87 m?？梢钥闯?，在各種條件下，FeCoNiCu－CrMn涂層的磨損體積明顯小于S50C鋼。

圖5為FeCoNiCuCrMn涂層和S50C鋼的摩擦系數對比，實驗接觸應力為262 MPa，滑動速度為1.206 m/s?？梢钥闯觯琒50C鋼的摩擦系數約為0.70，而FeCoNiCuCrMn涂層的摩擦系數更低，約為0.45，說明FeCoNiCuCrMn涂層有更好的摩擦性能。

S50C鋼和FeCoNiCuCrMn涂層的摩擦系數波動都很大，根據這一特點，可以推斷為黏著磨損。在摩擦過程中，摩擦副的碎片和碎片的氧化物結合在一起，分別作用于S50C鋼和FeCoNiCuCrMn的表面熔覆層，形成黏著磨損。而Fe－CoNiCuCrMn涂層的硬度更高，不容易發生塑性形變，因而磨損體積更小。

圖4 磨損體積與摩擦速度的關系

圖5 摩擦系數與滑動距離的關系

3 結論

基于實驗結果，得到以下結論:

1)利用鎢極氣體保護焊成功制備了FeCoNiCuCrMn涂層，XRD結果顯示形成了簡單的FCC結構。

2)FeCoNiCuCrMn涂層的硬度達到了435HV0.5;經過850℃高溫退火5 h后，硬度能保持不變。

3)FeCoNiCuCrMn涂層的摩擦性能優于S50C鋼。

［1］Yeh Jien－Wei，Chen Swe－Kai，Lin Su－Jien，et al.Nanostructured High entropy alloys withmultiple principal elements: novel alloy design concepts and outcomes［J］.Advanced.Engineering Materials，2004(6):299－303.

［2］Cantor B，Chang IT H，Knight P，et al.Microstructural development in equiatomicmulticomponent alloys［J］.Materials Science and Engineering A，2004，375－377:213－218.

［3］Varalakshmi S，KamarajM，Murty B S.Processing and properties of nanocrystalline CuNiCoZnAlTi high entropy alloys bymechanical alloying［J］.Materials Science and Engineering A，2010(527):1027－1030.

［4］Shun Tao－Tsung，Hung Cheng－Hsin，Lee Che－Fu.The effects of secondary elemental Mo or Ti addition in Al0.3CoCrFeNi high－entropy alloy on age hardening at 700℃［J］.Journal of Alloys and Compounds，2010(495):55－58.

［5］Hsu Chin－You，Juan Chien－Chang，Wang Woei－Ren，et al.On the superior hot hardness and softening resistance of Al－CoCrxFeMo0.5Nihigh－entropy alloys［J］.Materials Science and Engineering A，2011(528):3581－3588.

［6］Lin Chun－Ming，Tsai Hsien－Lung.Equilibrium phase of high－entropy FeCoNiCrCu0.5 alloy at elevated temperature［J］.Journal of Alloys and Compounds，2010(489):30－35.

［7］Tsai Che－Wei，Tsai Ming－Hung，Yeh Jien－Wei，et al.Effect of temperature on mechanical properties of Al0.5CoCrCuFe－Niwrought alloy［J］.Journal of Alloys and Compounds，2010，490，160－165.

［8］Zhang hui，Pan ye，He Yi－Zhu，et al.Microstructure and properties of 6FeNiCoSiCrAlTi High entropy alloy coating prepared by laser cladding［J］.Applied Surface Science，2011(257):2259－2263.

［9］Lin Y C，Cho Y H.Elucidating themicrostructural and tribological characteristics of NiCrAlCoCu and NiCrAlCoMo multicomponent alloy clad layers synthesized in situ［J］.Surface＆Coatings Technology，2009(203):1694－1701.

［10］Yao Chen－Zhong，Zhang Peng，Liu Meng，et al.Electrochemical preparation and magnetic study of Bi－Fe－Co－Ni－Mn high entropy alloy［J］.Electrochimica Acta，2008 (53):8359－8365.

［11］V.Dolique A L.Thomann，P.Brault，Y.Tessier，et al.Complex structure/composition relationship in thin films of Al－CoCrCuFeNi high entropy alloy［J］.Materials Chemistry and Physics，2009(117):142－147.

［12］Yeh JW，Chen SK，Gan JY，etal.Metallurgical and Materials Transactions A 2004，35，2533－2536.

［13］Li C，Li JC，Zhao M，et al.Effect of alloying elements on microstructure and properties of multiprincipal elements high－entropy alloys［J］.JAlloy Compound，2009(475):752－759.

［14］Wen LH，Kou HC，Li JS，et al.Effect of aging temperature on microstructure and properties of AlCoCrCuFeNi highentropy alloy［J］.Intermetallics，2009(17):266－9.

［15］Tsai K Y，TsaiM H，Yeh JW.Sluggish diffusion in Co－Cr－Fe－Mn－Ni high－entropy alloys［J］.Acta Materialia，2013，61 (13):4887－4897.

［16］張旭海，巫亮，曾宇喬，等.不同摻Ag含量下高溫(800℃)沉積CrN/Ag涂層的組織結構及其性能［J］.功能材料，2013(13):1908－1911.

(責任編輯楊繼森)

Properties of FeCoNiCuCrM n High Entropy Alloy Coatings

PENG Jia，YAN Zi－bo，LIU Xing－yuan
(Department of Materials，Sichuan College of Architectural Technology，Deyang 618000，China)

The FeCoNiCuCrMn high entropy alloy coating was prepared on Q235 substrate by method of gas tungsten arc welding.XRD results show that the coating formed a simple FCC structure.The microhardness of the coating reached 435HV0.5，thewear performance is better than S50C steelwith high temperature stability.

gas tungsten arc welding;high－entropy alloy(HEA)

:A

1006－0707(2014)07－0115－03

format:PENG Jia，YAN Zi－bo，LIU Xing－yuan.Properties of FeCoNiCuCrMn High Entropy Alloy Coatings［J］.Journal of Sichuan Ordnance，2014(7):115－117.

本文引用格式:彭佳，顏子博，劉興元.FeCoNiCuCrMn高熵合金涂層性能研究［J］.四川兵工學報，2014(7):115－117.

10.11809/scbgxb2014.07.032

2014－03－12

德陽市2012年重點科學技術研究科技支撐計劃項目(2012ZZ041－3);四川建筑職業技術學院2012年院級課題。

彭佳(1981—)，男，講師，主要從事薄膜功能材料研究。

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