【摘 要】
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高熵合金一般是指含有5种或5种以上主要元素,且各主要元素按照等原子比或近等原子比所组成的合金。高熵合金因其具有独特的组织结构和优异的性能受到了人们的广泛关注,其中,高熵合金摩擦学行为的研究也一直是热门课题。然而,目前关于高熵合金摩擦学行为的研究大多局限于常温干滑的环境下,而在其他条件下的摩擦学性能研究还较为罕见,例如不同液态、高温环境等。众所周知,具有单相面心立方结构(FCC)的高熵合金展现出了优
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高熵合金一般是指含有5种或5种以上主要元素,且各主要元素按照等原子比或近等原子比所组成的合金。高熵合金因其具有独特的组织结构和优异的性能受到了人们的广泛关注,其中,高熵合金摩擦学行为的研究也一直是热门课题。然而,目前关于高熵合金摩擦学行为的研究大多局限于常温干滑的环境下,而在其他条件下的摩擦学性能研究还较为罕见,例如不同液态、高温环境等。众所周知,具有单相面心立方结构(FCC)的高熵合金展现出了优异的塑性。然而,由于其室温强度和硬度有限,导致其耐磨性较低,阻碍了其在摩擦学和工程上的应用。因此,本文试图采用一种传统的固体包覆渗硼处理来改善其硬度和耐磨性。本研究选用具有FCC结构的Al0.1CoCrFeNi高熵合金作为研究对象,主要探究在不同条件下,Al0.1CoCrFeNi高熵合金渗硼前后的组织形貌以及室温和高温摩擦学行为。本实验中使用的高熵合金由WK型钨极非自耗真空电弧炉熔炼,采用固体粉末包覆渗硼技术对高熵合金进行表面渗硼处理。采用MFT-R4000型往复式摩擦磨损实验机研究了渗硼不同时间合金在干燥和去离子水环境下的摩擦学行为。通过HT-4001型球盘式高温摩擦磨损试验机对不同温度下(室温、100℃、200℃、300℃、400℃、500℃和600℃)渗硼前后高熵合金的高温摩擦学行为进行了研究。此外,本实验使用OM、XRD、SEM、EDS、XPS、AFM和维氏硬度等对高熵合金硼化层的组织和性能进行了研究。研究结果表明:(1)退火态Al0.1CoCrFeNi高熵合金由单相FCC结构组成,呈等轴晶结构。合金硼化层的厚度由渗硼2 h的17.3μm增加到渗硼8 h的57.9μm。渗硼层具有明显的分层结构,表面硼化物层主要由(Co,Fe)B,Cr B和Ni B等相组成,内部扩散层主要由(Co,Fe,Ni)2B,Cr B,Cr2B等相组成。合金表面的硬度随渗硼时间延长而提升,由退火合金的201HV提高到渗硼8 h合金的1398 HV,提高了大约7倍。(2)高熵合金在去离子水中的磨损率和摩擦系数均低于在干燥环境下的磨损率和摩擦系数。退火合金在空气中的主要磨损机制是粘着磨损和塑性犁沟磨损,而在去离子水中的磨损机理主要是磨粒和分层磨损,并伴随着轻微的粘着磨损。干燥条件下随着渗硼时间的增加,主要磨损机制由渗硼2 h合金的分层磨损和磨粒磨损逐渐转变为渗硼8 h合金的抛光磨损。在去离子水中,磨损机制由渗硼2 h合金的二体滑动磨粒磨损逐渐转变为渗硼8 h合金的三体滚动磨粒磨损。(3)在空气中,随着渗硼时间的增加,Si3N4球的磨损机理逐渐由粘着和犁沟磨损向磨粒磨损转变。在去离子水中,随着渗硼时间增加,Si3N4球的磨损机理逐渐由二体滑动磨粒磨损向三体滚动磨粒磨损转变。(4)渗硼合金在高温下的摩擦系数和磨损率均低于退火态合金。随着温度升高,退火态合金的摩擦系数总体变化趋势呈先增大后减小,而渗硼合金的摩擦系数随温度升高呈逐渐减小趋势。退火态和渗硼合金的磨损率均呈先增大后减小的趋势,两者的磨损率都在400℃时达到最大值。(5)退火合金在室温下的主要磨损机制为磨料磨损,随着温度升高,磨损机制转变为塑形犁沟和分层磨损,并最后过渡为氧化磨损。渗硼合金的磨损机制主要由室温下的抛光磨损,逐渐转变为磨料和分层磨损,最后过渡为氧化磨损。退火合金在高温下磨损表面氧化膜的主要成分是金属氧化物和Si O2,而渗硼合金在高温下磨损表面氧化膜的主要成分包含了一些金属氧化物、B2O3、SiO2和Si3N4,进一步促进了滑动界面的润滑效果。
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