等原子比高熵合金涂层组织和性能研究【字数：11474】
摘 要本课题主要利用氩弧熔覆制备高熵合金涂层。借助金相显微镜、显微硬度计等设备研究了FeCrNiCoAl、FeCrNiCoAlCu、FeCrNiCoAlSi、FeCrNiCoMo、FeCrNiCoAlMo、FeCrNiCoMn、FeCrNiCoMnCu等七种高熵合金涂层。结果表明所有涂层与基体有良好的冶金结合，耐稀王水腐蚀性大于基体Q235钢，FeCrNiCoAlMo和FeCrNiCoMn涂层中出现裂缝。等原子比高熵合金涂层金相组织主要为柱状晶+等轴晶。FeCrNiCoAlSi涂层硬度最高为600HV左右，FeCrNiCoMnCu涂层硬度最低为370HV左右。
目录
1 绪论 1
1.1引言 1
1.2 高熵合金及高熵合金涂层的定义 2
1.2.1高熵合金定义 2
1.2.2高熵合金涂层的定义 2
1.3高熵合金涂层的制备工艺 3
1.4高熵合金涂层的性能及应用 4
1.4.1高熵合金涂层的性能 4
1.4.2高熵合金涂层的应用 4
1.5研究现状 5
1.6高熵合金涂层的应用前景 6
1.7课题的研究目的及内容 7
1.7.1研究目的 7
1.7.2研究内容 7
2.实验部分 8
2.1实验材料及过程 8
2.1.1基体的选择 8
2.1.2粉末材料的制备 8
2.1.3合金熔覆层的制备 8
2.1.4熔覆层金相显微组织观察 9
2.1.5显微硬度测试 9
2.2研究路线 10
3实验数据总结与分析 11
3 .1Cu和Si对FeCrNiCoAl合金涂层的影响 11
3.1.1宏观形貌分析 11
3.1.2金相组织分析 11
3.1.3硬度分析 14
3.2 Al对FeCrNiCoMo合金涂层的影响 15
3.2.1宏观形貌分析 15
3.2.3硬度分析 18
3.3 Cu对FeCrNiCoMn合金涂层的影响 18
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
3.3.1宏观形貌分析 18
3.3.2金相组织分析 18
3.3.3硬度分析 19
结论 21
参考文献 22
致谢 24
1 绪论
1.1引言
传统的合金如铝合金是以Al元素为主，其中可以加入少量的Mg、Zn、Cu等其他元素，从而起到强化作用[1]，但是如果在合金中加入元素太多，这不但会使合金的力学性能变差，还使研究分析合金组织结构变得十分困难。这是因为很多化合物尤其是金属间化合物在组织中大量产生所导致的。
但是传统的理念无法阻止人们不断探索的脚步，在上世纪90年代人们想要寻找到一种具有超高玻璃化形成能力的合金，于是有的人将目光转到了大块非晶合金上。由于非晶或玻璃的原子熵高，所以高熵一定会导致高的玻璃化形成能力这一个混乱理论被当时的部分人提出。但是随着科技的进步，研究表明高熵和高的玻璃化形成能力并不一样，并且还有人证实发现了高混合熵合金中的一些材料含有单相固溶体，这些研究证明了混乱理论的错误。这种固溶体后来被叶均蔚等人认为是高混合熵稳定的固溶体，因此这类合金被命名为高熵合金。无独有偶，在同一年这类合金又被学者B.Cantor等命名为等原子比多组元合金[2]。至于为什么高熵和高的玻璃化形成能力并不一样这个问题被张勇等人解决了。他们系统地从原子尺寸差，混合焓和混合熵角度研究分析了大量的高混合熵合金，并用 AdamGibbs方程成功地解释了上述问题。这将合金材料的历史又翻开了新的一页。
多主元高熵合金的应用前景十分被看好是因为在经过各种实验分析总结后证明了多主元高熵合金具有优秀的力学性能、物理性能以及化学性能。但是因为制备工艺复杂、原材料以及制备成本高等原因导致块体高熵合金其广泛应用被限制。但这无法阻止人们对高熵合金的需求，于是较低成本以及使零件表面具有特殊性能和易于材料成形的表面涂层技术进入人们眼中，人们利用这种技术在高熵合金材料制备领域做出了重大成果[3]。如近年来，比起传统合金涂层来说，高熵合金涂层在很多方面都占有很大优势这一结论是由P.K.Huang等[46]通过各种实验测试了一些通过热喷涂等熔覆技术制备出的高熵合金涂层的组织与性能，并通过总结出的。
在高熵效应的影响下，涂层组织主要是单一的BCC、FCC或者HCP固溶体相结构构成的，且在组织中容易形成非晶、纳米晶和纳米复合物。结构决定性能，因此高熵合金涂层呈现出优秀的力学性能、抗高温氧化性能和生物兼容性能等，具有十分重要的研究意义与需求。综上所述高熵合金涂层的进一步研究与发展已经摆在眼前。
1.2 高熵合金及高熵合金涂层的定义
1.2.1高熵合金定义
传统合金中有一个主要元素的原子百分比应该大于50%。而高熵合金即多主元高熵合金中的每个主要元素都具有高的原子百分比，高熵合金的定义中主要元素数目n≥5，但其原子百分比都不能超过35%。
材料的状态和性能与热力学中的焓、熵和自由能有相关，高熵合金区别于传统合金的重要热力学特性是混合熵(mixing entropy)。熵(entropy)是热力学上代表混乱度的一个参数，一个系统的混乱度愈大，熵就愈大。如果忽略不计对一个物质系统熵的贡献较小的因素，则计算高熵合金的混合熵以原子排列的混合熵为主。经热力学计算,如果有n种原子混合，则每摩尔的混合熵ΔS的公式：
(11)
R是气体常数，R= 8. 314J/kmol，根据公式11可知两个元素等摩尔的混合熵是每摩尔 0. 693R。那以传统合金为例，其混合熵应小于0. 693R，而五元等原子比高熵合金的混合熵应为1.61R，所以高熵合金的混合熵应大于1. 61R。如果要用混合熵来区分合金，可以用0. 693R和1. 61R为界线，则合金分低熵合金即一个元素为主的合金，中熵合金即2～4主元素的合金，高熵合金即5个元素以上的合金[7]。
目录
1 绪论 1
1.1引言 1
1.2 高熵合金及高熵合金涂层的定义 2
1.2.1高熵合金定义 2
1.2.2高熵合金涂层的定义 2
1.3高熵合金涂层的制备工艺 3
1.4高熵合金涂层的性能及应用 4
1.4.1高熵合金涂层的性能 4
1.4.2高熵合金涂层的应用 4
1.5研究现状 5
1.6高熵合金涂层的应用前景 6
1.7课题的研究目的及内容 7
1.7.1研究目的 7
1.7.2研究内容 7
2.实验部分 8
2.1实验材料及过程 8
2.1.1基体的选择 8
2.1.2粉末材料的制备 8
2.1.3合金熔覆层的制备 8
2.1.4熔覆层金相显微组织观察 9
2.1.5显微硬度测试 9
2.2研究路线 10
3实验数据总结与分析 11
3 .1Cu和Si对FeCrNiCoAl合金涂层的影响 11
3.1.1宏观形貌分析 11
3.1.2金相组织分析 11
3.1.3硬度分析 14
3.2 Al对FeCrNiCoMo合金涂层的影响 15
3.2.1宏观形貌分析 15
3.2.3硬度分析 18
3.3 Cu对FeCrNiCoMn合金涂层的影响 18
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
3.3.1宏观形貌分析 18
3.3.2金相组织分析 18
3.3.3硬度分析 19
结论 21
参考文献 22
致谢 24
1 绪论
1.1引言
传统的合金如铝合金是以Al元素为主，其中可以加入少量的Mg、Zn、Cu等其他元素，从而起到强化作用[1]，但是如果在合金中加入元素太多，这不但会使合金的力学性能变差，还使研究分析合金组织结构变得十分困难。这是因为很多化合物尤其是金属间化合物在组织中大量产生所导致的。
但是传统的理念无法阻止人们不断探索的脚步，在上世纪90年代人们想要寻找到一种具有超高玻璃化形成能力的合金，于是有的人将目光转到了大块非晶合金上。由于非晶或玻璃的原子熵高，所以高熵一定会导致高的玻璃化形成能力这一个混乱理论被当时的部分人提出。但是随着科技的进步，研究表明高熵和高的玻璃化形成能力并不一样，并且还有人证实发现了高混合熵合金中的一些材料含有单相固溶体，这些研究证明了混乱理论的错误。这种固溶体后来被叶均蔚等人认为是高混合熵稳定的固溶体，因此这类合金被命名为高熵合金。无独有偶，在同一年这类合金又被学者B.Cantor等命名为等原子比多组元合金[2]。至于为什么高熵和高的玻璃化形成能力并不一样这个问题被张勇等人解决了。他们系统地从原子尺寸差，混合焓和混合熵角度研究分析了大量的高混合熵合金，并用 AdamGibbs方程成功地解释了上述问题。这将合金材料的历史又翻开了新的一页。
多主元高熵合金的应用前景十分被看好是因为在经过各种实验分析总结后证明了多主元高熵合金具有优秀的力学性能、物理性能以及化学性能。但是因为制备工艺复杂、原材料以及制备成本高等原因导致块体高熵合金其广泛应用被限制。但这无法阻止人们对高熵合金的需求，于是较低成本以及使零件表面具有特殊性能和易于材料成形的表面涂层技术进入人们眼中，人们利用这种技术在高熵合金材料制备领域做出了重大成果[3]。如近年来，比起传统合金涂层来说，高熵合金涂层在很多方面都占有很大优势这一结论是由P.K.Huang等[46]通过各种实验测试了一些通过热喷涂等熔覆技术制备出的高熵合金涂层的组织与性能，并通过总结出的。
在高熵效应的影响下，涂层组织主要是单一的BCC、FCC或者HCP固溶体相结构构成的，且在组织中容易形成非晶、纳米晶和纳米复合物。结构决定性能，因此高熵合金涂层呈现出优秀的力学性能、抗高温氧化性能和生物兼容性能等，具有十分重要的研究意义与需求。综上所述高熵合金涂层的进一步研究与发展已经摆在眼前。
1.2 高熵合金及高熵合金涂层的定义
1.2.1高熵合金定义
传统合金中有一个主要元素的原子百分比应该大于50%。而高熵合金即多主元高熵合金中的每个主要元素都具有高的原子百分比，高熵合金的定义中主要元素数目n≥5，但其原子百分比都不能超过35%。
材料的状态和性能与热力学中的焓、熵和自由能有相关，高熵合金区别于传统合金的重要热力学特性是混合熵(mixing entropy)。熵(entropy)是热力学上代表混乱度的一个参数，一个系统的混乱度愈大，熵就愈大。如果忽略不计对一个物质系统熵的贡献较小的因素，则计算高熵合金的混合熵以原子排列的混合熵为主。经热力学计算,如果有n种原子混合，则每摩尔的混合熵ΔS的公式：
(11)
R是气体常数，R= 8. 314J/kmol，根据公式11可知两个元素等摩尔的混合熵是每摩尔 0. 693R。那以传统合金为例，其混合熵应小于0. 693R，而五元等原子比高熵合金的混合熵应为1.61R，所以高熵合金的混合熵应大于1. 61R。如果要用混合熵来区分合金，可以用0. 693R和1. 61R为界线，则合金分低熵合金即一个元素为主的合金，中熵合金即2～4主元素的合金，高熵合金即5个元素以上的合金[7]。
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