雷射熔覆含硼BCC結構高熵合金塗層強韌化機理研究

《雷射熔覆含硼BCC結構高熵合金塗層強韌化機理研究》是依託安徽工業大學，由何宜柱擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：雷射熔覆含硼BCC結構高熵合金塗層強韌化機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：何宜柱
• 依託單位：安徽工業大學

項目摘要

雷射熔覆含硼bcc結構FeCoNiCrAlCuBx(Y)高強度高熵合金塗層。針對高熵合金現有通過增加合金元素中大原子含量提高固溶體晶格畸變，但致晶格脆性迅速升高的主要強化方法。基於雷射快速凝固動力學條件，避免最大限度提高塗層中超飽和間隙原子硼的含量和間隙固溶強化效果。依據高熵合金塗層特有的退火組織細化現象，結合晶體生長取向電子背散射衍射觀察（EBSD），通過熱處理工藝調控細晶強化和晶界強化等手段提高塗層強韌性水平。利用微/納米壓痕技術及其彈性模量、殘餘變形等測試結果研究塗層中超飽和固溶體的強韌化機制和變形機理；結合第一原理計算和組織、結構微觀分析，研究組成元素之間混合焓、熔體黏度、電子結構、原子半徑差異和原子占位對塗層相選擇、相轉化、組織和強韌性之間的關在線上制；探討多元複雜合金雷射亞穩態凝固過程中的熔體結構和分凝行為，以及元素擴散在塗層中晶體形核和生長過程中的作用。

結題摘要

基於雷射快速凝固動力學條件並與常規電弧爐熔煉技術對比，研究小原子硼對雷射熔覆含硼FeCoNiCrAlCuBx(Y)高熵合金塗層組織、相結構和性能的影響。 結果表明，硼元素的間隙固溶強化效果高於第二相強化效果。合金混合熵增高能一定程度抑制硼化物析出；與bcc基體相相比，fcc基體相可固溶更多硼元素；添加少量稀土釔也可起到改善硼化物析出形態，同步提高含硼高熵合金強度和韌性的作用。但是，常規熔煉製備多種成分含硼高熵合金均難以完全抑制硼化物析出，合金脆性隨著硼化物析出量增加而迅速升高。 與常規熔煉技術相比，雷射快速凝固可有效抑制含硼高熵合金中硼化物析出，相同成分下雷射熔覆含硼高熵合金塗層硬度和強韌性明顯高於常規熔煉技術。項目首先研究了硼元素添加含量對雷射熔覆FeCoNiCrAl0.3Cu0.7Si0.1By和FeCoNiCrAl2.3Cu0.7Si0.1By高熵合金塗層的影響。結果表明，兩成分系列塗層主要相結構分別為fcc和bcc固溶體，均未發現硼化物的明顯析出，組織為典型樹枝晶。但隨著B元素添加量y值從0.15增加至0.6，枝晶間組織變寬，Cr、Fe在枝晶間富集傾向加劇。硬度和斷裂韌性測試表明硼元素添加量y=0.3時塗層具有最優的強韌性。 進一步，在最佳化的硼元素添加量基礎上，調整Al元素含量雷射熔覆FeCoNiCrAl(x=0.7,1.0,1.2,1.5,1.8)Cu0.7Si0.1B0.3塗層。研究發現該系列塗層仍具有簡單的固溶體相結構，Al元素增加促進fcc基體相向bcc結構轉變，而添加B元素能起到穩定fcc相，推遲fcc向bcc相轉變的作用。硬度和斷裂韌性結果表明Al添加量為1.0和1.2時的兩塗層具有最優的綜合強韌性。900℃高溫退火後，所製備塗層硬度均出現6~10%左右的下降，斷裂韌性有所提升，表明含硼高熵合金塗層具有明顯的高溫熱穩定性能。 再進一步，研究其它合金元素對雷射熔覆含硼高熵合金塗層組織和性能的影響，發現Mn元素強烈促進fcc基體相形成，Mo元素在利於提高塗層綜合強韌性。特別是所製備FeCoNiCrAlSiCuTiMoB0.5成分，塗層主要相為bcc固溶體，顯微硬度達到1100 HV，具有較好的斷裂韌性。第一性原理計算顯示間隙原子硼添加可起到提高相鄰原子之間的電子密度和多主元固溶體彈性模量的作用，進而起到良好的固溶強化效果。