FeCoCrNiCu体系高熵合金具有优异的韧性和可塑性,是目前最热门的HEAs体系之一。但由于其硬度较低,摩擦学性能有限,限制了其进一步应用,为了提高FeCoCrNiCu体系高熵合金的摩擦学性能,本文采用激光熔覆技术在Q235基体上制备FeCoCrNiCuBx (x = 1, 3, 5 at.%) 和FeCoCrNiCu-xTiC (x = 5, 10, 15 wt.%)涂层,探究添加纳米TiC与B元素对FeCoCrNiCu高熵合金涂层组织与摩擦学性能的影响。
本研究采用激光熔覆技术,在Q235钢上制备了FeCoCrNiCu-xTiC和FeCoCrNiCuBx涂层。利用XRD、SEM、EDS等分析测试手段对涂层微观形貌与组织形貌进行了详细的分析,在性能上,本文主要针对涂层表面的摩擦学性能,利用高温摩擦磨损试验机进行了常温及高温下的球盘式磨损试验,实验参数:载荷为5N,磨损时间为30min,旋转半径为3mm,转速为560 r/min。并利用SEM、EDS等表征手段对其减摩性能及耐磨机制进行进一步的分析。此外,通过表征对磨球磨损形貌及磨损表面的元素分布,以深入研究涂层表面磨损过程及行为机制。同时通过分析磨痕截面的表面和亚表面结构组织的变化,更进一步分析了添加纳米TiC与B元对FeCoCrNiCu高熵合金涂层组织与摩擦学性能的影响。
添加纳米TiC与B元素都会使晶粒发生不同程度的细化,并提高涂层的冶金结合性能。FeCoCrNiCu (HEA)、FeCoCrNiCuB (B5)、FeCoCrNiCu-15wt%TiC (T15)涂层的显微硬度分别是217.95、343.98和531.65HV。T15涂层在室温下摩擦系数明显降低,仅为0.549;600℃下T15涂层摩擦系数为0.279,磨损率为15.28×10mm/N·m。B5涂层在室温下的摩擦系数最低,仅为0.425,磨损机制主要为磨粒磨损和疲劳磨损;在600℃下B5涂层的磨损机制主要为氧化磨损和磨粒磨损,B5涂层的摩擦系数为0.255,磨损率为6.96×10mm/N·m。
涂层高熵合金实现了较好的冶金结合与表面质量。在物相和显微组织上,熔覆成型后FeCoCrNiCu高熵合金涂层是由单一FCC型固溶体构成。FeCoCrNiCu-TiC涂层熔覆后形成了单一 FCC 型固溶体,部分纳米TiC在激光熔覆过程发生热解,形成CrC,CoC,具有极高的熔点、硬度和耐磨性;FeCoCrNiCuBx高熵合金涂层中沿晶界析出了硼化物,呈网状分布,能检测到硼化物为CrB。两种体系的高熵合金涂层晶粒都有不同程度的细化。添加纳米TiC的涂层,对于室温下的摩擦学性能得到明显地提升,且表面更加光整,磨损机制主要是磨粒磨损;对于600℃下的摩擦学性能也有积极的影响,T15涂层磨损机制为轻微的磨粒磨损、疲劳磨损和氧化磨损。添加B元素的涂层,在室温下得到三种涂层中最低的摩擦系数,磨损机制主要为磨粒磨损、粘着磨损和疲劳磨损;在600℃下B5涂层磨损机制主要为氧化磨损和磨粒磨损。在B5涂层表面生成BO自润滑相,其在高温下熔化形成低粘度液体,形成润滑膜,隔离接触面,减少直接接触和粘附,是显著提高其摩擦学性能的主要原因。
FeCoCrNiCu体系高熵合金具有优异的韧性和可塑性,是目前最热门的HEAs体系之一。但由于其硬度较低,摩擦学性能有限,限制了其进一步应用。
本文采用激光熔覆技术在Q235基体上制备FeCoCrNiCuBx (x = 1, 3, 5 at%) 和FeCoCrNiCu-xTiC (x = 5, 10, 15 wt%)涂层,探究添加纳米TiC与B元素对FeCoCrNiCu高熵合金涂层组织与摩擦学性能的影响。FeCoCrNiCu(HEA)、FeCoCrNiCuB0.5(B5)、FeCoCrNiCu-15wt%TiC(T15)涂层的显微硬度分别是217.95 HV0.5、343.98 HV0.5和531.65 HV0.5,B5和T15涂层相较于HEA涂层显微硬度提升了57.83%和143.93%。T15涂层室温下的摩擦系数仅为0.549,且表面更加光整,磨损机制主要为轻微的磨粒磨损;600℃下T15涂层摩擦系数为0.279,磨损率为15.28×10-5mm3/N·m,相较于HEA涂层分别下降了22.07%和37.51%,磨损机制为轻微的磨粒磨损、疲劳磨损和氧化磨损。B5涂层在室温下的摩擦系数最低,仅为0.425,磨损机制主要为磨粒磨损、粘着磨损和疲劳磨损;在600℃下B5涂层摩擦系数为0.255,磨损率为6.96×10-5mm3/N·m,磨损机制主要为氧化磨损和磨粒磨损。在B5涂层表面生成B2O3自润滑相,其在高温下熔化形成低粘度液体,形成润滑膜,隔离接触面,减少直接接触和粘附,是显著提高其摩擦学性能的主要原因。
为研究纳米TiC与B元素对FeCoCrNiCu高熵合金涂层的影响,采用激光熔覆技术在Q235基体制备FeCoCrNiCuBx (x = 1, 3, 5 at%) 和FeCoCrNiCu-xTiC (x = 5, 10, 15 wt%) 涂层,并选取性能最好的FeCoCrNiCuB0.5和FeCoCrNiCu-15wt%TiC进行分析。结果表明添加纳米TiC与B都会使晶粒细化,提高涂层的冶金结合性能。FeCoCrNiCu(HEA)、FeCoCrNiCuB0.5(B5)、FeCoCrNiCu-15wt%TiC(T15)涂层的显微硬度分别是217.95、343.98和531.65HV0.5。T15涂层室温下摩擦系数仅为0.549,且表面更加光整,磨损机制主要为磨粒磨损;600℃下T15涂层摩擦系数为0.279,磨损率为15.28×10−5 mm3/N·m,磨损机制为磨粒磨损、疲劳磨损和氧化磨损。B5涂层在室温下的摩擦系数最低,仅为0.425,磨损机制主要为磨粒磨损和疲劳磨损;在600℃下B5涂层摩擦系数为0.255,磨损率为6.96×10−5 mm3/N·m,磨损机制主要为氧化磨损和磨粒磨损。在B5涂层表面生成B2O3自润滑相,其在高温下熔化形成低粘度液体,形成润滑膜,隔离接触面,减少直接接触和粘附,是显著提高其摩擦学性能的主要原因。