激光增材制造相变诱导型高熵合金的研究进展...l 【焦点 l 高熵合金】

摘要：

高熵合金是以4种及以上元素为主元的合金，热力学上存在高熵效应，动力学上呈现迟滞扩散效应，晶体学上表现为晶格畸变效应，使用时展现出鸡尾酒效应，具有良好的力学性能和耐腐蚀性。相变诱导塑性高熵合金通过在变形过程中发生马氏体相变，延迟了裂纹的产生，同时提高了金属的加工硬化率，解决了塑性-强度难题，具有极大的研究潜力和应用前景。铸造高熵合金存在偏析严重、晶粒粗大等缺陷，成形样品力学性能差。增材制造具有局部熔池快速凝固的特点，成形的高熵合金成分均匀、晶粒细小，力学性能远高于铸件。本课题阐述了增材制造成形相变诱导塑性高熵合金的显微组织、力学性能、组织演变、耐蚀性等方面的研究进展，并展望了未来的研究方向。

摘要：

本课题设计了一种新型多组元Ni3Al合金Ni45Co23Fe9Al11Ti12,并采用激光熔化沉积(LMD)技术成功制备了合金。使用X射线衍射、扫描电镜、万能试验机等研究了沉积态合金的微观组织和室温力学性能。

结果表明：LMD制备的Ni45Co23Fe9Al11Ti12合金的晶粒为沿沉积方向外延生长的粗大柱状晶，晶粒由无侧向分枝的胞状枝晶组成，枝晶内部和枝晶间区域均由网状FCC基体和块状γ′相组成，且枝晶间区域的γ′相尺寸大于晶内。LMD成型的Ni45Co23Fe9Al11Ti12合金具有良好的室温性能，其屈服强度达到879 MPa,抗拉强度为1160 MPa,断裂伸长率为9.5%,综合力学性能远优于同类合金，其屈服强度的显著提高可能与高密度γ′相有关。 

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高熵合金是以4种及以上元素为主元的合金，热力学上存在高熵效应，动力学上呈现迟滞扩散效应，晶体学上表现为晶格畸变效应，使用时展现出鸡尾酒效应，具有良好的力学性能和耐腐蚀性。相变诱导塑性高熵合金通过在变形过程中发生马氏体相变，延迟了裂纹的产生，同时提高了金属的加工硬化率，解决了塑性-强度难题，具有极大的研究潜力和应用前景。铸造高熵合金存在偏析严重、晶粒粗大等缺陷，成形样品力学性能差。增材制造具有局部熔池快速凝固的特点，成形的高熵合金成分均匀、晶粒细小，力学性能远高于铸件。本文阐述了增材制造成形相变诱导塑性高熵合金的显微组织、力学性能、组织演变、耐蚀性等方面的研究进展，并展望了未来的研究方向。

摘要：

利用激光熔化沉积技术（LMD）增材制造了具有单相bcc结构的Al0.21Co0.17Cr0.13Fe0.11Ni0.18Si0.20高熵合金（HEA），其晶粒尺寸随着激光功率从900 W降低至700 W而逐步减小。在1100 ~oC“干”空气和含10%H2O的“湿”空气的恒温氧化实验表明：该HEA能稳定生长单一的Al2O3膜；晶粒尺寸减小导致所生长Al2O3膜的氧化速度降低；H2O蒸气加快Al2O3膜生长速度。

摘要：

为研究Nb元素对FeCoCrNiMn高熵合金组织及性能的影响,利用激光熔覆技术在Q235钢表面制备FeCoCrNiMnNb高熵合金涂层,分别对涂层的相组成、微观组织、元素分布、纳米硬度及磨损行为进行研究。

结果表明：FeCoCrNiMnNb高熵合金涂层由FCC相和Laves相组成。其中，基体相为FCC相，棒状组织为Laves相。由于固溶强化和第二相析出强化效应，FeCoCrNiMnNb高熵合金涂层的纳米硬度显著提升，约为9.193 GPa，约为FeCoCrNiMn涂层的两倍。由于纳米硬度的显著提升，FeCoCrNiMnNb涂层的具有极佳的耐磨性，其磨损率为2.549×10-5mm3/N·m，约为FeCoCrNiMn涂层的0.33倍。FeCoCrNiMnNb涂层的磨损机制为单一的磨粒磨损。综上所述，FeCoCrNiMnNb高熵合金涂层具有极高的纳米硬度和优异的耐磨性。

摘要：

为了探究WC颗粒对熔覆涂层组织与性能的影响，采用1200 W激光功率和6 mm/s的扫描速度在NM450钢表面制备FeCoCrNiMn-x WC高熵合金熔覆涂层。通过X射线衍射仪（XRD）、扫描电镜（SEM）、维氏显微硬度计、摩擦磨损试验机对涂层的物相、显微组织、力学性能及耐磨性能进行了研究。

结果表明：当FeCoCrNiMn高熵合金涂层加入WC颗粒后，高熵合金复合涂层组织主要为FCC和BCC相，含有少量WC、W2C和Cr7C3相，显微结构为柱状晶和胞状晶组织。在10%WC复合涂层综合性能最佳，显微硬度达到最大值484.5 HV0.3；摩擦因数为0.58，磨损量和磨损率最低分别为0.011 4 g与0.857×10-5g/（N·m），复合涂层的磨损方式主要为磨粒磨损与氧化磨损，并伴随黏着磨损。

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利用激光熔覆法在40CrNiMo钢表面制备AlCoCrFeNi-2xMo-xTiC(x=0、0.1、0.25、0.4)高熵合金熔覆层，通过XRD、SEM、EBSD、TEM及耐磨性试验研究了TiC及Mo含量对AlCoCrFeNi-2xMo-xTiC熔覆层组织与耐磨性的影响。

结果表明，当原位生成TiC后，熔覆层的显微组织有BCC和TiC相。随着TiC原子分数不断增加，碳化物析出相尺寸逐渐增大，熔覆层晶粒明显细化，晶粒尺寸由109μm变为15μm。AlCoCrFeNi-0.8Mo-0.4TiC熔覆层硬度最高，为750 HV0.3,相比AlCoCrFeNi熔覆层高300 HV0.3。TiC原子分数增加后熔覆层硬度和耐磨性都上升。AlCoCrFeNi熔覆层磨损表面磨屑较多，磨损机制是粘着磨损。AlCoCrFeNi-0.2Mo-0.1TiC、AlCoCrFeNi-0.5Mo-0.25TiC、AlCoCrFeNi-0.8Mo-0.4TiC熔覆层的磨损机理均为磨粒磨损。

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目的 增加38CrMoAl渗氮钢海洋环境下耐腐蚀性能。方法 采用激光熔覆设备和等离子体渗氮炉，在38CrMoAl表面先后进行FeCoCrNiAl0.5高熵合金（HEA）涂覆和离子渗氮处理，同时对激光熔覆-渗氮复合处理的38CrMoAl进行机理和耐蚀性分析。

结果 复合处理38CrMoAl表面生成厚度约为0.6mm高熵合金（HEA）+0.35μm氮化高熵合金（HEAN）改性层，氮化HEA层组织结构由HEA的单一FCC结构转变为复相（FCC+AlN+CrN）结构，基体、HEA和氮化HEA层的平均硬度分别为400、225、1164HV，复合处理后38CrMoAl盐雾试验下6 d后表面开始出现蚀坑，而未经过任何处理的38CrMoAl表面2 d后即出现明显的腐蚀现象。

结论 激光熔覆-氮化复合处理能够有效改善38CrMoAl的耐腐蚀性能，中间的软韧型HEA层不仅增加了侵蚀性离子的扩散壁垒，还可作为高硬度表层和基体之间的缓冲介质而避免表面脆化。

摘要：

本研究采用经济的原位氧化和选择性刻蚀工艺，通过调控氧化温度和表面粗糙度，研究了Fe40Ni11Mn35Al7Cr6C1（at.%）高熵合金表面的氧化产物变化及其对太阳能光热转换性能的影响。

结果表明：在500-700 ℃范围内，随着温度升高和刻蚀引起的初始表面粗糙度增大，氧化后高熵合金表面的氧化物尺寸、氧化层厚度、粗糙度和氧化物种类均呈上升趋势，使得光热转换性能逐渐提升。预先刻蚀并在700 ℃氧化2 h后合金的太阳能吸收率和光热转换效率分别达到峰值90.4%和87.9%。当氧化温度继续升高至800 ℃后，由于热膨胀系数不匹配导致热应力增大，合金表面生成的氧化层均开始大面积脱落，进而导致材料的光热性能开始下降。

本研究为金属氧化层的有效设计提供了理论支持，有助于实现高熵合金光热性能的优化与提升。

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为了延长脱硫浆液循环泵叶轮的寿命，采用激光熔覆技术在脱硫浆液循环泵叶轮的母材30CrMnSiA钢表面制备了WC增强CoCrFeNiTi-WCx（x=0,5,10,15,20，质量分数，%）高熵合金涂层，研究了WC含量对涂层的显微组织、力学和耐蚀性能影响。

研究发现CoCrFeNiTi高熵合金涂层相组成为fcc（Fe-Ni）、bcc（Fe-Cr）、Laves（CoTi2）和AB-type（Ti的化合物），随着WC含量增加，Laves相衍射峰强度增强，且生成了新相碳化物（WC、Ti C、Cr7C3和Fe3C）。CoCrFeNiTi高熵合金涂层主要组织为底部的胞状晶和顶部的等轴枝晶，随着WC含量增加，涂层组织主要为等轴枝晶，且晶粒尺寸逐渐细化。WC的加入提高了涂层的性能，其中CoCr FeNiTi-20%WC涂层硬度(HV0.2)最大，为6419 MPa，且摩擦系数（0.664）和磨损率(1.3×10～2 μm3·（s·N）-1)最小，耐磨性能最好，磨损机制主要为轻微的黏着磨损和磨粒磨损。此外，随着WC含量的增加，涂层表现出更低的腐蚀速率和腐蚀电流。其中，CoCrFeNiTi-20%WC涂层腐蚀电流最小，耐腐蚀性能最好。 

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目前，部分TiZr基高熵合金由于大量脆性相的析出，呈现出强塑性难以平衡的问题，阻碍了合金作为复杂构件材料的工程应用。利用激光定向能量沉积技术基于混合元素法及非平衡快速凝固特性，实现成分设计的独特优势。通过调整TiZr基高熵合金主元成分，实现了非等原子比Ti39Zr39Nb11Mo5.5V5.5的致密成形，并获得了无金属间化合物等脆性相析出的单相固溶体合金。合金呈现出优异的塑性变形能力，其压缩应变超过了50%，而50%应变率时的压缩应力达2 194 MPa。进一步分析表明，固溶强化是合金呈现较高强度的关键，其对屈服强度的贡献超过了75%。

摘要：

本课题采用高速激光熔覆（Extremely high-speed laser cladding,EHLC）技术制备了FeCoCrNiMo高熵合金涂层，系统的分析了涂层微观组织与相结构、成形工艺及耐腐蚀性能。

结果表明：高速激光熔覆制备的FeCoCrNiMo高熵合金涂层主要由富集Fe、Co与Ni的面心立方（Face-centered cubic, FCC）基体相及其周围富集Mo与Cr的体心立方（Body-centered cubic, BCC）沉淀相组成。涂层底部至中间区域主要由FCC相的柱状晶与枝晶间交替的亚微米级BCC/FCC片层状共晶组织构成，顶部区域却主要由FCC/BCC交替的片层状共晶组织构成的等轴晶组成。此外，45钢基材热影响区的马氏体相变，增加了涂层的拉应力，导致高熵合金涂层形成了网状或条状穿晶裂纹。利用316L不锈钢打底结合降低线速度的工艺方法，有效的解决了涂层开裂的问题，同时保持了涂层较高硬度水平。与传统304不锈钢涂层相比，高熵合金涂层自腐蚀电位高0.13V，但腐蚀电流密度却仅仅只是其1/6，涂层膜电阻是其235倍，表现了更加优异的耐腐蚀性能。另外，高熵合金涂层顶部分布的均匀且细小的FCC/BCC片层状共晶组织是其耐腐蚀的关键原因。