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冶金与材料第 44 卷碳化钨添加对高熵合金涂层组织和硬度的影响温立哲1，黄元盛1，张鹏华2，郭军辉1（1.江门职业技术学院材料技术系，广东 江门529090）（2.鹤山市精工制版有限公司，广东 鹤山829700）冶 金 与 材 料Metallurgy and materials第 44 卷 第 2 期2024 年 2 月Vol.44 No.2Feb.2024摘要：为了进一步提高高熵合金涂层的硬度，本文使用激光熔覆设备制备了 WC+Al2NiTiCoCrCu0.5FeMo 高熵合金涂层，使用扫描电子显微镜、X 射线衍射仪、显微硬度计分析了合金的组织结构和硬度。结果表明，WC 的添加对高熵合金的相结构和组织影响不明显，涂层组织较细密，硬度获得明显的提升。当 WC 的添加量小于 5%时，晶粒尺寸为 23m，而 WC 添加量为 8%时，晶粒变得不规则，并且有增大的趋势，约在 35m。随着 WC 添加量的增加，涂层的硬度逐渐升高。在添加 2%的 WC 时，硬度升高的速度很大，但再增加，硬度的增速比较平缓。关键词：高熵合金；涂层；碳化钨；硬度基金项目：广东省科技创新战略专项（江科 2018 352 号）作者简介：温立哲（1975），男，广西玉林人，主要研究方向：金属功能材料。自从台湾清华大学叶均蔚咱1暂提出了高熵合金之后，材料学界对该领域的研究越来越多咱2暂。高熵合金一般是指含有五种组元或以上，并且每一组元的摩尔含量不超过 35%的合金咱1暂。高熵合金的强度、硬度、耐腐蚀性等表现出与传统合金极大不同，被视为极有发展前景的新型合金，再加上其种类成百万计，意味着高熵合金的研究是一个庞大的研究体系咱2-6暂。根据合金体系的规律，元素间的反应焓决定是否形成化合物，一般认为合金组元太多，容易形成金属间化合物，而难得到固溶体。但高熵合金因为组元超过了一定数目，合金在高温液态下混合熵起着极其重要的作用，使得焓变不是唯一决定合金相的因素，从而使得高熵合金有可能只形成固溶体而非金属间化合物咱1暂。高熵合金常常形成简单的组织结构，如 FCC 或 BCC 结构，这主要是由于其高熵效应的作用咱1袁7暂。高熵合金晶格畸变效应使其表现出极高硬度和强度咱1暂。不过高熵合金的组元可以是金属元素也可以是非金属元素，种类多，由目前研究结果可知，除形成固溶体相，也会形成较复杂的金属间化合物相。高熵合金的鸡尾酒效应，使其与其他材料复合成为可能，近年有关高熵合金与硬质合金如 WC、TiC 等的复合亦有不少 报 道咱1暂。文 章 在 其 研 究 基 础 上，发 现AlNiTiCoCrCu0.5FeMo 系列高熵合金具有简单的结构和较高的硬度咱8-11暂，因而通过在其中再添加 WC 进一步提高其性能。1实验方法使用激光熔覆设备制备 WC+Al2NiTiCoCrCu0.5FeMo高熵合金涂层。使用的金属粉和碳化钨粉的目数为300。金属元素粉末的纯度在 99%以上。使用 XQM-4L型行星式高能球磨机对粉末进行混合，球料质量比 2颐1，转速为 200r min-1，球磨时间 2h。采用 650 型激光熔覆设备在40Cr钢基体上进行熔覆试验，激光功率为650W，光斑直径为 3mm，激光扫描速度为 300mm s-1咱9暂。试样磨平抛光后，使用王水腐蚀 15s，流水清洗后，喷淋酒精，使用冷风吹干。形貌分析采用 SEC 公司生产的 SNE3000NB 型扫描电子显微镜。用 HV-1000 型显微硬度计测试显微硬度，载荷为 9.8N，保载时间为 10s，每个试样测5点取平均值；采用TD-3000型X射线衍射仪对涂层进行物相分析，电压为 30kV，电流为 20mA，扫描速率为 1毅 min-1咱9暂。2结果与讨论2.1XRD分析使用 X 射线衍射仪分析了WC+Al2NiTiCoCrCu0.5FeMo 高熵合金涂层，结果如图 1 所示。由图可见，合金由单一 BCC 相组成，WC 的添加对高熵合金的相组织没有改变，只是随着 WC 的增加，衍射峰强度逐渐下降。Al2NiTiCoCrCu0.5FeMo 高熵合金含有较多的铝元素，而根据叶均蔚等的研究认为铝具有极强的 BCC 相形成能力，从而促进了合金 BCC 相的形成。由于 WC 的添加量较少，粒度又比较小，所以在 XRD 谱未显示出来。XRD衍射峰强度变低，这应该是添加 WC 导致高熵合金发生极大的晶格畸变，这与目前已证明的高熵合金的主元素数越多，X 射线衍射峰强度逐渐降低一致咱1-2暂。由XRD 分析也可知，虽然激光熔覆温度很高，但是碳化钨没有和高熵合金直接化合形成新相，这说明碳化钨在涂层的形成过程中保持良好的稳定性。碳化钨的熔点为2870益，远高于Al2NiTiCoCrCu0.5FeMo高熵合金元素100第 2 期的熔点，所以在涂层制备过程，高熵合金处于液态下，而碳化钨并没有熔解，并没有直接与高熵合金反应形成新相。2.2SEM分析使用扫描电子显微镜对 WC+Al2NiTiCoCrCu0.5FeMo高熵合金涂层进行了分析，结果如图 2 所示。由图中可见，WC 的添加对高熵合金的相结构和组织影响不明显，在 WC 的添加量小于 5%时，晶粒尺寸为 23m，而 WC 添加量为 8%时，晶粒变得不规则，并且有增大的趋势，约在 35m。由图 2 可见，由于添加的 WC 相对（d）8%WC+Al2NiTiCoCrCu0.5FeMo图 2涂层的 SEM 形貌（b）2%WC+Al2NiTiCoCrCu0.5FeMo（a）Al2NiTiCoCrCu0.5FeMo（c）5%WC+Al2NiTiCoCrCu0.5FeMo图 1WC+Al2NiTiCoCrCu0.5FeMo 高熵合金涂层的 XRD 图谱2兹渊毅冤30405060708090100|8%WC5%WC2%WC无 WC温立哲等：碳化钨添加对高熵合金涂层组织和硬度的影响101冶金与材料第 44 卷Al2NiTiCoCrCu0.5FeMo 高熵合金的量来说是比较少的，所以在 SEM显微形貌中无法分辨 WC 的相成分，这与 XRD分析的结果一样，主要是 WC 分散在高熵合金相内。2.3硬度分析使用显微硬度计对 WC+Al2NiTiCoCrCu0.5FeMo 高熵合金涂层进行了分析，结果如图 3 所示。图 3涂层的硬度WC 含量（wt.%）02468700650600550500450由图 3 可见，随着 WC 添加量的增加，涂层的硬度逐渐升高。Al2NiTiCoCrCu0.5FeMo高熵合金具有较高的硬度，达到 463HV，这主要是因为合金是 BCC 相，BCC相虽然有比较多的滑移系，达到 48 个，比 FCC 相的 12个滑移系多，但 FCC 相的位错宽度较大，晶格阻力相对较小，从而导致 FCC 相更容易滑移，因此，一般 BCC 相的硬度比 FCC 相的硬度高。在增加 2%的 WC 时，硬度升高的速度很大，但再增加，硬度的增速比较平缓。这是由于 WC 的硬度非常高，添加少量即极大促进涂层硬度的提高，但当含量超过 2%，WC 分散在高熵合金相内，导致高熵合金相有松散的倾向。WC 和高熵合金并没有形成合金，只是形成混合相，混合物的硬度必须达到合适的浓度范围比才能获得最大的强度和硬度。在WC+Al2NiTiCoCrCu0.5FeMo 高熵合金涂层，Al2NiTiCoCrCu0.5FeMo 高熵合金相当于粘结相，碳化钨是骨架，粘结相多硬度低，粘结相太少，则涂层变得松散，所以要获得综合性能好的涂层，必须控制好高熵合金和碳化钨的含量，使在极大发挥碳化钨高硬度的基础上，不影响高熵合金粘结行为效能。由图中可见，碳化钨含量超过 6%时，涂层硬度增加不再明显，所以 6%的碳化钨添加是最佳的添加量。3结论使用激光熔覆设备制得 WC+Al2NiTiCoCrCu0.5FeMo高熵合金涂层。WC 的添加没有改变高熵合金的相结构和组织，但 WC 添加量的增加导致合金晶粒尺寸有增大的趋势。添加 5%WC 的涂层合金的晶粒尺寸为 23滋m，而 8%WC 的晶粒尺寸为 35滋m。随着 WC 添加量的增加，涂层的硬度逐渐升高，添加量超过 2%时，涂层硬度的增速变平缓。参考文献1 Yeh J W，Chen S K，Lin S J，et al.Nanostructured High-EntropyAlloys with Multiple Principal Elements：Novel Alloy DesignConcepts and Outcomes J.Advanced Engineering Materials，2004，6（5）：299-303.2 梁秀兵，魏敏，程江波，等.高熵合金新材料的研究进展 J.材料工程，2009（12）：75-79.3 叶均蔚（Jien-Wei Yeh）.高熵合金的发展 J.华冈工程学报，2011（27）：1-18.4 LuY，DongY，GuoS，etal.APromisingNewClassofHigh-Tem原perature Alloys：Eutectic High-Entropy AlloysJ.Rep，2014（4）：6200.5 郭娜娜，高绪杰，李肖逸，等.共晶高熵合金的研究进展 J.稀有金属，2021，45（6）：728-739.6 温立哲,黄元盛.Al3Ti3CoCrCu0.5FeMoNi 高熵合金激光涂层的研究J.有色金属（冶炼部分）,2017(6):67-70.7 黄元盛,温立哲.退火处理对 Al3CoCrCu1/2FeMoNiTi 高熵合金激光涂层组织和性能的影响 J.表面技术,2016,45(7):162-166.8 温立哲,黄元盛.激光熔覆 AlCoCrCu0.5FeMoNiTi 高熵合金涂层的组织与性能 J.粉末冶金技术，2016，34（4）：268-271.9 温立哲,黄元盛.高熵合金析出相热动力学分析及组成相耐蚀性研究 J.有色金属工程，2018，8（6）：6-9.10 Tung C C，Yeh J W，Shun T T.On the elemental effect of Al原CoCrCuFeNi high-entropy alloy system J.Materials Letters,2007，61(1):1-5.11 卢光熙,侯增寿.金属学教程 M.上海：上海科学技术出版社,102