FeCr相与AlCo相在A...金涂层摩擦过程中的作用分析_边春华.pdf

文章编号：-（）-F e C r相与A l C o相在A l C o C r C u F e N i高熵合金涂层摩擦过程中的作用分析边春华，杨伟杰，张维，李邱达，文杰，冯力*（中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 ；西安派瑞功率半导体变流技术股份有限公司，陕西 西安 ；兰州理工大学 材料科学与工程学院，甘肃 兰州 ）摘要：采用冷喷涂辅助原位合成方法制备 x（x ，）高熵合金涂层，对涂层微观组织结构和摩擦磨损性能进行表征和测试然后采用分子动力学的方法模拟了高熵合金涂层中 相和 相的摩擦过程，模拟分析了高熵合金涂层中 相和 相对高熵合金摩擦性能的影响结果表明：在相同的摩擦条件下，相所受到的摩擦力大于 相所受到的摩擦力，相的磨损量要大于 相的磨损量 相在摩擦过程中产生了粘附与脱附原子，导致总摩擦力上升，而在 相摩擦过程中，没有发现明显的粘附原子 相内部产生了明显的位错结构，位错总长度随摩擦距离的增加持续增加，并且在摩擦的最终阶段产生了两种混合位错结构，但是在 相的内部并没有发现位错结构说明 相对 高熵合金涂层的耐磨性能有更大的贡献关键词：高熵合金涂层；分子动力学；相；相中图分类号：文献标志码：A n a l y s i s o f t h e e f f e c t o fF e C rp h a s e a n dA l C op h a s e i n t h e f r i c t i o np r o c e s s o fA l C o C r C u F e N i h i g he n t r o p ya l l o y c o a t i n g -，-，-，*（，；-，；，）A b s t r a c t：x（x ，）-，-，-，-，-，-K e yw o r d s：；由种及种以上元素按照等原子比或近等原收稿日期：-通讯作者：冯力（-），男，甘肃兰州人，博士，教授 ：子比合金化，其中每种组元的摩尔分数在 ，且能形成高熵固溶体的合金即为高熵合金高熵合金因其独特的设计理念，使其具有优于传统合金的热力学性能，如高硬度、高强度、高韧性、耐腐第 卷第期 年月兰州理工大学学报 蚀性、热稳定性等高熵合金成分复杂，全局无序，具有多主元效应，表现出较为优异的综合性能，具有很高的学术研究价值和应用前景在高熵合金的研究中，、和 是高熵合金中常用的元素，许多高熵合金在凝固过程中会形成 相和 相，两相均为 结构，结构对合金材料的力学性能会有较大的影响但是，高熵合金熔炼难度比较大，冷加工性能也不强，且制备成本较高高熵合金涂层能保持高熵合金的优异性能，其制备方法也比高熵合金块体简单，所以高熵合金涂层比块体材料更具有实用价值目前高熵合金涂层的制备方法主要有冷喷涂、激光熔覆、磁控溅射、化学气相沉积等，通过这些方法已成功在各种钢、铝合金上制备了高熵合金薄膜或涂层冯力等采用低压冷喷涂和感应重熔方法制备出 x（x，）高熵合金涂层，研究发现，当x时，出现了 相（），合金的硬度下降、摩擦系数升高但是由于 相和 相是微观结构，采用实验手段很难分别检测两相对合金性能的影响，而利用模拟的方法则可以很好地解决这一问题采用模拟方法即可模型化计算实际问题，也可定量分析材料在设计、制备、加工以及运用过程中的性能，也有助于理解结构变化和性能之间的关联目前在此领域常用的模拟方法有：分子动力学法、元胞自动机法、蒙特卡洛法-以及相场法等其中，分子动力学法是一种研究材料微观结构的重要手段，可以分析微观的动态过程，模拟空间尺度可达纳米级，时间尺度可达到飞秒级分子动力学方法能够将材料微观结构的行为变化映射到宏观特性上，以便解决理论与实验上面临的各种问题以及一些宏观难以理解的现象，所以该方法已成为各个专业领域不可或缺的重要研究工具魏池翔 采用模拟了单晶（）面在不同温度、摩擦速度和载荷的摩擦磨损行为研究发现，温度对单晶（）面摩擦磨损行为影响较小，而速度与载荷对单晶（）面摩擦磨损行为有显著影响，且速度越小或载荷越大，摩擦界面的犁沟作用越明显而粘附作用越弱并且摩擦过程中 基体在接触界面发生了复杂的弹塑性变形这项研究表明分子动力模拟摩擦行为是可行的，并且具备了一些实验所没有的优势本文采用冷喷涂辅助原位合成的方法合成 -和 高熵合金涂层，通过摩擦磨损试验机、以及 来检测涂层的摩擦性能、表征涂层的微观组织结构采用分子动力学方法耦合实验数据，建立高熵合金涂层中 相和 相与 小球的摩擦过程分子动力学模型通过模拟计算与实验结果，研究分析 相和 相在高熵合金涂层摩擦过程中的贡献 模拟与实验 技术路线图图是实验与模拟流程图，首先通过冷喷涂和感应重熔技术制备出 x（x ，）高熵合金涂层，使用 、等设备表征涂层的微观组织结构根据微观组织结构表征的结果，建立分子动力学模型，确定模型中组织的成分和结构然后通过摩擦实验检测涂层的摩擦性能，使用与摩擦实验相同的摩擦参数进行摩擦过程数值模拟最后通过比较模拟和摩擦实验结果，结合形貌特征，分析两相对高熵合金涂层摩擦性能的影响图 技术路线图F i g T e c h n o l o g y r o a d m a p 高熵合金涂层制备与微观组织结构表征实验采用冷喷涂方法在 钢表面预制出金属粉体混合涂层，喷涂气体为空气、喷涂温度 、喷涂速度 然后通过感应重熔将金属混合粉体涂层合成为高熵合金涂层，加热时间为 实验使用的金属粉末均为 以上的高纯原料，按照表所列的比例进行配比，然后通过粉体混合机进行的机械混合后作为冷喷涂原料，其中每种金属单质粉末均为 目，如图所示采用霍尔流量计测试混合粉末的流动性，结果显示，粉末流动性良好，不需进行造粒在喷涂之前表 喷涂原料中各元素的质量分数T a b M a s s-f r a c t i o no f e a c he l e m e n t i n s p r a y i n g r a wm a t e r i a l s合金 兰州理工大学学报 第 卷图 冷喷涂混合粉末微观形貌F i g M i c r o s c o p i cm o r p h o l o g yo fc o l d-s p r a y e d m i x e dp o w d e r s用无水乙醇超声清洗基体表面的油污等杂质，然后用喷砂粗化处理基体表面采用白俄罗斯国立大学研发的 -低压冷喷涂系统制备冷喷涂涂层采用 -高频感应加热设备感应重熔合成高熵合金涂层将制备的 x（x ，）高熵合金涂层采用 观察其组织发现，涂层组织主要由树枝晶组成，当x从 到时，树枝晶粗化，如图所示图 A l C o C r C u F e N ix高熵合金涂层微观形貌F i g M i c r o m o r p h o l o g yo fA l C o C r C u F e N ixh i g h-e n t r o p ya l l o y c o a t i n g 和 高熵合金涂层的 衍射图谱如图所示，由图可知，当x 时，高熵合金涂层中的 相为 相当x 时，合金中 相含量减少，相的衍射峰强度降低，并出现了 相的衍射峰文献 中的研究结果发现，在 x高熵合金中随着 含量的增加，合金中 含量逐渐减少，而 含量逐渐增加，这与图中表现出来的变化规律一致图 是通过透射电镜观察到的 -高熵合金涂层的明场像形貌，通过透射电镜分析可知，涂层中的树枝晶为 结构，枝晶间组织为 结构图 为图 中枝晶间组织局部放大图，可见其主要由 相和 相组成，通过衍射花样标定判断出黑色纳米析出相为 相，白图 A l C o C r C u F e N i 和A l C o C r C u F e N i高熵合金涂层的X R D衍射图谱F i g X R Dd i f f r a c t i o np a t t e r n so fA l C o C r C u F e N i a n dA l C o C r C u F e N i h i g h-e n t r o p ya l l o y c o a t i n g s图 A l C o C r C u F e N ix高熵合金涂层中B C C结构明场像形貌F i g B r i g h t f i e l d i m a g em o r p h o l o g yo fB C Cs t r u c t u r e i nA l C o C r C u F e N ixh i g h-e n t r o p ya l l o y c o a t i n g色纳米析出相为 相，如图、初始模型的构建为了更准确模拟摩擦过程，在模拟的初期建立合理的模型如图、是 相和 相模型 相模型的尺寸为 ，一共包含 个原子，其中红色的为 原子，蓝色的为 原子；相模型的尺寸为 ，一共包含 个原子，其中绿色的为 原子，黑色的为 原子对磨件是 合金，半径为，一共包含 个原子，其中黄色的为 原子，粉色的为原子图第期 边春华等：相与 相在 高熵合金涂层摩擦过程中的作用分析 为基体的相仿真模型，从图可以看出，相和 相中存在牛顿原子、恒温原子以及刚性原子其中牛顿原子用于与对磨件接触，从而进行摩擦；恒温原子利用 恒温来控制体系的温度；刚性原子用于固定底层原子，防止基体发生整体性偏移同时设置x、y、z方向上的边界条件为周期性边界条件如图所示，在z的负方向施加载荷，然后沿着x方向进行摩擦过程图 两相摩擦模拟模型F i g T w o-p h a s e f r i c t i o n s i m u l a t i o nm o d e l图 相仿真模型F i g P h a s e s i m u l a t i o nm o d e l所有模拟采用 系统，时间步长为 ，在建模过程中采用能量最小化来避免原子位置的重叠为了与摩擦实验参数近似，温度选择 ，载荷为 摩擦速度为，摩擦总位移为，为了节约计算成本，模拟过程中的摩擦速度要高于实际摩擦速度模拟的过程分为三个步骤：（）首先让模型在设定的温度下进行弛豫；（）给对磨件施加载荷压入合金；（）按设定的速度进行摩擦实验 分析与讨论 高熵合金涂层摩擦性能分析图为 和 高熵合金涂层摩擦系数和磨损量示意图，从图中可以看出，当x 时，涂层的摩擦系数与磨损量都要小于x 时涂层的摩擦系数和磨损量图为 x高熵合金涂层磨痕形貌，从图中可以看出，当x 时，摩擦涂层的表面明显变得光滑，犁沟变得少而浅，粘着层的数量也明显减少，存在极少的片状分层，这表明当x 时，涂层中粘着磨损、磨粒磨损和疲劳磨损较少，这也是该合金涂层具有较低摩擦系数的原因由图 可知，当x 时，涂层表面的犁沟数量和深度明显增加，并且存在大量的片状分层，这表明 高熵合金涂层在摩擦的过程中经历了周期性的分层断裂根据这两种涂层的实验结果，两种涂层的组织形貌类似、化学成分接近、相结构都是 结构，其摩擦性能的差异主要是由 结构枝晶组织内部差异造成的当x 时，涂层中没有 相的存图 A l C o C r C u F e N i 和A l C o C r C u F e N i高熵合金涂层摩擦系数曲线和磨损量示意图F i g F r i c t i o nc o e f f i c i e n tc u r v ea n dw e a ra m o u n t s c h e-m a t i co f A l C o C r C u F e N i a n d A l C o C r C u F e N ih i g h-e n t r o p ya l l o y c o a t i n g s图 A l C o C r C u F e N ix高熵合金涂层磨痕形貌F i g A b r a s i o nm o r p h o l o g yo fA l C o C r C u F e N ixh i g h-e n t r o p ya l l o y c o a t i n g兰州理工大学学报 第 卷在；x 时，结构组织中出现了 相为了研究 相对涂层耐磨性能的贡献，做如下的模拟研究 摩擦力模拟分析摩擦在原子尺度