fecrni（alcu）非等原子比中熵合金涂层组织和性能研究【字数：11760】
本课题主要利用氩弧焊熔覆的方法制备FeCrNi系非等原子比中熵合金涂层FeCrNiAl和FeCrNiCu。借助光学显微镜、维氏硬度计、化学腐蚀等设备及方法，分析了FeCrNiAl、FeCrNiCu两种中熵合金涂层的显微金相组织、硬度及耐腐蚀性能；实验结果表明利用氩弧焊熔覆的方法制备FeCrNi系非等原子比中熵合金涂层是可行的。制备的FeCrNiAl、FeCrNiCu两种中熵合金涂层可与基体形成的冶金结合一般，熔合区没有裂纹，气孔等缺陷。FeCrNiAl、FeCrNiCu涂层的显微硬度及耐腐蚀性能均较好，其维氏硬度在400左右，而且FeCrNiCu涂层硬度及耐腐蚀性均高于FeCrNiAl。
目录
1 绪论 1
1.1引言 1
1.2 中熵合金的定义 2
1.3中熵合金涂层的制备工艺 4
1.4中熵合金涂层的研究现状 5
1.5中熵合金涂层的应用前景 7
1.6课题的研究目的及内容 7
1.6.1研究目的 7
1.6.2研究内容 8
2.实验部分 9
2.1实验材料 9
2.1.1基体材料 9
2.1.2涂层材料 9
2.1.3氩弧熔覆的工艺参数 10
2.2实验过程 10
2.2.1氩弧熔覆 10
2.2.2熔覆涂层的显微组织观察与金相采集 11
2.2.3化学腐蚀 11
2.2.4显微硬度测试 11
2.3研究路线 12
3.中熵合金组织分析 13
3.1 FeCrNiCu 13
3.2FeCrNiAl 15
3.3FeCrNiAlCu 17
4.中熵合金性能分析 19
4.1化学腐蚀 19
4.2显微硬度 20
5.结论 23
参考文献 24
致谢 26
1 绪论
1.1引言
材料的发展与人类休戚相关, 是人类不可或缺的一部分，材料的重大突破常常伴随着时代的变化。例如，每当历史中出现新材料时，例如石 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
器，青铜器，铁器等，都表明人们在材料的使用上有了进一步的创新。而在21世纪的今天，新兴材料的出现更是不可或缺，材料的更新换代则显示着人类科技文明的不断进步。在各种金属材料中，各种各样的合金材料尤为使人推崇，所以研究人员在不断的探索和钻研中制备出性能更加完善优异的合金材料[1]。
合金材料的广泛使用，在很大程度上推进了科技文明的进步。研究人员们为了能够使得合金材料能够适应更多的特殊环境，进行了不懈的努力。目前，已有30多种合金系统被人类开发并投入使用，每种合金系统主要由一种元素（含量超过50％）组成[2]。例如，在我们的生活中，金属材料以铁为主要元素，如碳钢和合金钢，铝合金以铝为主要元素，钛合金以钛主要元素。这些常见合金材料正是传统一元合金的主要代表，就铁碳合金而言，少量的碳元素对铁碳合金影响非常大。
传统的金属材料大多数只有一到两种的主要元素，然后在此基础上，添加一些辅助元素可以引起合金性质的一些特殊变化。1995年，台湾清华大学的叶均蔚教授打破了传统合金的设计理念，提出了一种新的合金设计理念，用于制备具有许多不同于传统合金的主要元素的合金材料。经过多次实验研究，发现这种多元合金传统合金是某些领域合金的创新，在各领域具备一定的价值以及发展前景[3]。其很多性能要比传统合金好，是一个可合成的新合金空间，是合金材料发展的一个领航者[4]。在20世纪90年代，人们基于对非晶合金的开发中，发现有些合金可以形成单相固溶体，这些合金混合熵比较高。叶均蔚等人认为，这种合金形成的固溶体是一种混合熵高和稳定性的固溶体，从而高熵合金这一概念被提出。
在接下来的几十年，复合材料以及中高熵合金的发展必然是人们研究材料的中心。中熵合金不同于高熵合金，首先其熵值自然要小于高熵合金，其次主要元素也少于高熵合金。高熵合金拥有强度较高、硬度高等这些优异力学性能，但中熵合金应用更加广泛。就比如CoCrNi中熵合金比一些四元合金具有更高的强度和延性，这在一定程度上说明并非熵值越大，合金内元素种类越多，合金的性能就越好。因为合金CoCrNi室温下的屈服强度约为300MPa，而对于FeCoMnNi合金，其屈服强度仅为200 MPa就可以说明这一点[5]。同时中熵合金涂层有很好的应用前景，涂层相对于合金而言，同种合金涂层不仅制作起来成本较低，而且操作过程简单[6]。
1.2 中熵合金的定义
合金材料的状态和性质与热力学领域的熵和自由能密切相关。混合熵是中熵合金和高熵合金有别于传统合金的重要热力学性质。众所周知，熵是一个热力学上代表混沌程度的参数。也可以说，系统的程度越混乱，其熵值就越大。由于系统的原子振动结构，电子配置和磁矩配置，系统的熵变大。根据统计热力学，系统的组态熵可表示为：
（1.1）
其中k是玻尔兹曼常数，是与温度和能量有关的物理常数，k = 1.3806505（24）×1023 J/K， W是系统的微观状态的数目。
事实上可以不考虑原子振动组态等因素的影响，因为这些对材料系统熵的贡献很小，所以它们可以忽略不计。当合金中的主要元素为原子比相等时，合金系统的混合熵能够达到最大值。在热力学计算后，如果混合了n种原子，则每摩尔的混合熵可表示为：
（1.2）
其中R是物理常数，它连接状态方程中的各种热力学函数，即气体常数，R =8. 314J/（molK）。n为元素的种类。从上式可知，随着等摩尔元素的合金体系中元素数量的增加，混合熵变大。不同主元数目的合金在等摩尔比时的混合熵大致如下表1.1所示：
表1.1不同主元数目的合金在等摩尔时的混合熵
元素数目N
1
2
目录
1 绪论 1
1.1引言 1
1.2 中熵合金的定义 2
1.3中熵合金涂层的制备工艺 4
1.4中熵合金涂层的研究现状 5
1.5中熵合金涂层的应用前景 7
1.6课题的研究目的及内容 7
1.6.1研究目的 7
1.6.2研究内容 8
2.实验部分 9
2.1实验材料 9
2.1.1基体材料 9
2.1.2涂层材料 9
2.1.3氩弧熔覆的工艺参数 10
2.2实验过程 10
2.2.1氩弧熔覆 10
2.2.2熔覆涂层的显微组织观察与金相采集 11
2.2.3化学腐蚀 11
2.2.4显微硬度测试 11
2.3研究路线 12
3.中熵合金组织分析 13
3.1 FeCrNiCu 13
3.2FeCrNiAl 15
3.3FeCrNiAlCu 17
4.中熵合金性能分析 19
4.1化学腐蚀 19
4.2显微硬度 20
5.结论 23
参考文献 24
致谢 26
1 绪论
1.1引言
材料的发展与人类休戚相关, 是人类不可或缺的一部分，材料的重大突破常常伴随着时代的变化。例如，每当历史中出现新材料时，例如石 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
器，青铜器，铁器等，都表明人们在材料的使用上有了进一步的创新。而在21世纪的今天，新兴材料的出现更是不可或缺，材料的更新换代则显示着人类科技文明的不断进步。在各种金属材料中，各种各样的合金材料尤为使人推崇，所以研究人员在不断的探索和钻研中制备出性能更加完善优异的合金材料[1]。
合金材料的广泛使用，在很大程度上推进了科技文明的进步。研究人员们为了能够使得合金材料能够适应更多的特殊环境，进行了不懈的努力。目前，已有30多种合金系统被人类开发并投入使用，每种合金系统主要由一种元素（含量超过50％）组成[2]。例如，在我们的生活中，金属材料以铁为主要元素，如碳钢和合金钢，铝合金以铝为主要元素，钛合金以钛主要元素。这些常见合金材料正是传统一元合金的主要代表，就铁碳合金而言，少量的碳元素对铁碳合金影响非常大。
传统的金属材料大多数只有一到两种的主要元素，然后在此基础上，添加一些辅助元素可以引起合金性质的一些特殊变化。1995年，台湾清华大学的叶均蔚教授打破了传统合金的设计理念，提出了一种新的合金设计理念，用于制备具有许多不同于传统合金的主要元素的合金材料。经过多次实验研究，发现这种多元合金传统合金是某些领域合金的创新，在各领域具备一定的价值以及发展前景[3]。其很多性能要比传统合金好，是一个可合成的新合金空间，是合金材料发展的一个领航者[4]。在20世纪90年代，人们基于对非晶合金的开发中，发现有些合金可以形成单相固溶体，这些合金混合熵比较高。叶均蔚等人认为，这种合金形成的固溶体是一种混合熵高和稳定性的固溶体，从而高熵合金这一概念被提出。
在接下来的几十年，复合材料以及中高熵合金的发展必然是人们研究材料的中心。中熵合金不同于高熵合金，首先其熵值自然要小于高熵合金，其次主要元素也少于高熵合金。高熵合金拥有强度较高、硬度高等这些优异力学性能，但中熵合金应用更加广泛。就比如CoCrNi中熵合金比一些四元合金具有更高的强度和延性，这在一定程度上说明并非熵值越大，合金内元素种类越多，合金的性能就越好。因为合金CoCrNi室温下的屈服强度约为300MPa，而对于FeCoMnNi合金，其屈服强度仅为200 MPa就可以说明这一点[5]。同时中熵合金涂层有很好的应用前景，涂层相对于合金而言，同种合金涂层不仅制作起来成本较低，而且操作过程简单[6]。
1.2 中熵合金的定义
合金材料的状态和性质与热力学领域的熵和自由能密切相关。混合熵是中熵合金和高熵合金有别于传统合金的重要热力学性质。众所周知，熵是一个热力学上代表混沌程度的参数。也可以说，系统的程度越混乱，其熵值就越大。由于系统的原子振动结构，电子配置和磁矩配置，系统的熵变大。根据统计热力学，系统的组态熵可表示为：
（1.1）
其中k是玻尔兹曼常数，是与温度和能量有关的物理常数，k = 1.3806505（24）×1023 J/K， W是系统的微观状态的数目。
事实上可以不考虑原子振动组态等因素的影响，因为这些对材料系统熵的贡献很小，所以它们可以忽略不计。当合金中的主要元素为原子比相等时，合金系统的混合熵能够达到最大值。在热力学计算后，如果混合了n种原子，则每摩尔的混合熵可表示为：
（1.2）
其中R是物理常数，它连接状态方程中的各种热力学函数，即气体常数，R =8. 314J/（molK）。n为元素的种类。从上式可知，随着等摩尔元素的合金体系中元素数量的增加，混合熵变大。不同主元数目的合金在等摩尔比时的混合熵大致如下表1.1所示：
表1.1不同主元数目的合金在等摩尔时的混合熵
元素数目N
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