鈦合金表面激光熔覆高熵合金課件

1、鈦合金表面激光熔覆高熵合金2015-01-201主要內(nèi)容2鈦合金表面激光熔覆高熵合金涂層高熵合金的簡介高熵合金的定義定義：具有5種或者5種以上合金元素以等摩爾比或近等摩爾比 混合形成的固溶體合金(兩種元素以等摩爾混合)當(dāng) n=2 時，S= 0.693R，當(dāng) n=5 時，S= 1.61R當(dāng)n=6 時， S= 1.79R當(dāng)n= 9 時， S= 2.20R 高熵的指標(biāo)混合熵大于1.5R每一種主元的含量需要大于5 at.%主元數(shù)目應(yīng)大于5，最好不超過13Gibbs相率：P=C+1-F 隨著元素種類增加，平衡相的數(shù)目也應(yīng)該增加。在高熵合金中雖然含有5種或5種以上的元素，但卻依然能夠形成簡單的固溶體相，這

2、就是高熵合金最為獨特的地方高熵效應(yīng)當(dāng)H -T S時，說明元素之間有結(jié)合在一起的趨勢，即形成化合物的趨勢較大，不利于形成固溶體相當(dāng)H-T S 時，說明元素更趨于維持混亂的狀態(tài)在高熵合金中，通過增加元素的種類來提高S，讓高熵合金形成固溶體相而不是金屬間化合物相，從而將固溶體相變成一個熱力學(xué)穩(wěn)定的狀態(tài)。 G= H-T S G 越負(fù)的狀態(tài)越穩(wěn)定 H一般小于零，反映了原子之間的相互作用能 S大于零 ，反映了體系的混亂程度.高熵效應(yīng)原理晶格畸變效應(yīng) 高熵的指標(biāo)混合熵大于1.5R每一種主元的含量需要大于5 at.%主元數(shù)目應(yīng)大于5，最好不超過13原理：存在嚴(yán)重的晶格畸變，固溶強(qiáng)化是最主要的強(qiáng)化形式嚴(yán)重的晶格

3、畸變使高熵合金具有很高的抗拉強(qiáng)度晶格畸變不僅改變了合金的性能，而且減小了溫度對性能的影響。圖中這幾種高熵合金都具有很高的屈服強(qiáng)度，并且隨著鋁含量的增加，強(qiáng)度增加（用晶格畸變增加解釋）。高熵合金可以將這種性能保持到很高的溫度，原理：高熵合金中晶格畸變嚴(yán)重，必然導(dǎo)致擴(kuò)散過程難以進(jìn)行遲滯擴(kuò)散效應(yīng)新相的形成和長大需要通過擴(kuò)散進(jìn)行，因此在高熵合金中經(jīng)常形成納米尺度的第二相顆粒。第二相顆粒的形核容易，但是長大非常困難，最終保持在納米尺度。遲滯擴(kuò)散效應(yīng)讓高熵合金很容易得到過飽和狀態(tài)固溶體以及細(xì)小的沉淀，提高再結(jié)晶溫度，減小晶粒長大速率以及第二相粗化速率，提高蠕變抗性。真空吸鑄的方式制備AlCrFeCoNiC

4、u高熵合金B(yǎng)) ,TEM亮場相 a:70nm寬的無序BCC相 b:100nm寬的有序BCC相 c:7-50nm的納米沉淀 C),D) ,E)分別為 a,b,c的投射花樣鑄態(tài)AlCrFeCoNiCu合金 :在真空吸鑄的方式制備AlCrFeCoNiCu高熵合金中發(fā)生了調(diào)幅分解，分為了 無序BCC相a 有序BCC相b 7-50nm的納米沉淀c 這是由于高熵合金中的遲滯擴(kuò)散效應(yīng)導(dǎo)致的，第二相顆粒成核容易但是由于擴(kuò)散過程難以進(jìn)行，第二相的長大很困難。同時也導(dǎo)致了調(diào)幅分解帶的寬度很窄，只有納米數(shù)量級。 原理：當(dāng)多種元素混合的時候，其性質(zhì)的增長，可以超過混合定律增長的幅度。雞尾酒效應(yīng):比如，通過多種高熔點金

5、屬混合，可以得到更好的高溫性能。四主元合金 Nb Mo Ta W 和五主元合金 V Nb MoTa W，可以獲得更好的高溫性能。熔點高達(dá) 2600 在 1600 下屈服強(qiáng)度可達(dá)400 Mpa。兩種高熵合金和常用的兩種鎳基高溫合金的對比。可以看到兩種高熵合金雖然在低溫下強(qiáng)度不如inconel718 但是可以把強(qiáng)度保持到更高的溫度，在800度以后兩種高熵合金的強(qiáng)度都超過了inconel718 ，高熵合金主元數(shù)目越多，高溫性能越好，五主元合金V Nb MoTa W的性能明顯好于四主元合金Nb Mo Ta W 高熵合金和其他材料 強(qiáng)度和密度對比橘黃色的圈表示塊體金屬玻璃，其中小圓圈中的是高熵合金，下面

6、大的紅圈中的是常見的金屬和合金，可見高熵合金有比常規(guī)金屬更高的強(qiáng)度。斜線方向表示了比強(qiáng)度的大小。約靠左上方，比強(qiáng)度越大?？梢钥吹礁哽睾辖饟碛泻芨叩谋葟?qiáng)度。制備的激光熔覆TiVCrAlSi高熵合金涂層12基材： Ti6Al4V粉末：使用純度達(dá)99.5%的高純粉末激光功率 2KW（CO2 激光器）熔覆時加熱到450 防止開裂。 熔覆層和基體形成良好的冶金結(jié)合。界面很平直，由于界面溫度梯度較大，最先形成平面晶組織導(dǎo)致的。黃燦等人用激光熔覆法制備的激光熔覆TiVCrAlSi高熵合金涂層熔覆層的宏觀形貌以及斷面組織14圖：800 保溫24h后退火，出現(xiàn)Al8(V,Cr)5相，A相和C相為 (Ti,V)5

7、Si3 ，B相為 BCC 相，D相為Al8(V,Cr)5和BCC相混合從XRD結(jié)果可以看出，熔覆層的組織變化不大金相組織變化很小，只是在原來的BCC相中析出了少量的金屬間化合物，反而使硬度得到提高800 保溫24h后的組織分析TiVCrAlSi熔覆層的耐磨性能（1/2）實驗條件：摩擦體使用4 mm 直徑 GCr15 鋼球，硬700HV0.2。1KG加載，試驗時間60分鐘，使用 5, 10, 15 Hz等 不同的頻率進(jìn)行試驗。可以看到TiVCrAlSi高熵合金熔覆層的磨損速率遠(yuǎn)低于基體Ti6Al4V16磨損機(jī)理：左邊： Ti6Al4V 明顯的塑性變形，顯微切削，形成溝痕。右邊： TiVCrAlS

8、i高熵合金熔覆層，疲勞磨損機(jī)理，表層微觀組織受磨粒反復(fù)作用的應(yīng)力超過材料表面的疲勞極限，出現(xiàn)片狀剝落。TiVCrAlSi熔覆層的耐磨性能（2/2）TiVCrAlSi熔覆層的抗氧化性17熔覆層表面生成了一層很薄的致密的氧化膜，氧化膜厚度約5nm，緊緊依附于熔覆層表面，產(chǎn)生了很好的保護(hù)作用。氧化膜由SiO2，Cr2O3，TiO2，Al2O3和少量的V2O5組成，多種氧化物相互配合，起到了很好的保護(hù)作用。并且熔覆層在氧化膜形成后，增重基本停止，而Ti6Al4V一直持續(xù)的增重，說明鈦合金高溫下形成的氧化膜無法起到保護(hù)的作用。a 經(jīng)過800 退火處理后的TiVCrAlSi熔覆層b 高溫下的氧化增重b參考

9、文獻(xiàn)181. Jien-Wei Yeh, Sew-Kai Chen. Nanostructured high-entropy alloys with multiple principal elements Novel alloy design concepts and outcomes .Advance Engineering Materials （2004）3. Can Huang a, Yongzhong Zhang. Dry sliding wear behavior of laser clad TiVCrAlSi high entropy alloy coatings on Ti-6A

10、l-4V substrate, Materials and Design, (2012)4. Can Huang, Yongzhong Zhang. Thermal stability and oxidation resistance of laser clad TiVCrAlSi high entropy alloycoatings on Ti6Al4V alloy, Surface & Coatings Technology, (2011)5. Yong Zhang,* Yun Jun Zhou. Solid-Solution Phase Formation Rules forMulti-

11、component Alloys. Advance Engineering Materials.(2008)6. S. Ranganathan. Alloyed pleasures: Multimetallic cocktails. RESEARCH NEWS. (2003)7. Jien-Wei Yeh. Alloy Design Strategies and Future Trends in High-Entropy Alloys. The Minerals, Metals & Materials Society.(2013)8. O.N. Senkov , G.B. Wilks. Mechanical properties of Nb25Mo25Ta25W25andV20Nb20Mo20Ta20W