微束等离子增材再制造高熵合金熔覆层组织及性能研究

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本论文以集约化材料和修复再制造为目的,采用微束等离子增材再制造工艺,在Q235基板上制备CoCrFeMnNi系高熵合金熔覆层,系统的研究了热处理及Al元素对CoCrFeMnNi高熵合金熔覆层显微组织、耐磨损、耐腐蚀和抗高温氧化性能的影响。针对CoCrFeMnNi热处理中温析出相对熔覆层组织及性能的影响,研究了大气环境500℃、700℃、900℃、1160℃不同温度热处理4h对微束等离子增材再制造熔覆层组织及性能的影响规律,再制造熔覆层稀释率小、无明显宏观缺陷。CoCrFeMnNi高熵合金熔覆层为单一FCC相,显微组织为树枝晶结构。中温500℃热处理后,熔覆层晶界析出少量富Cr的BCC相;700℃热处理后,熔覆层晶界析出富Cr的δ相。由于析出相的存在,熔覆层平均显微硬度从158.9HV0.2增加到181.0HV0.2,熔覆层耐磨损性能随热处理温度升高先增加后减小。CoCrFeMnNi熔覆层中有大量耐腐蚀的Cr、Ni等元素,耐腐蚀性能优于304不锈钢。Tafel曲线表明,热处理在一定程度上降低了合金熔覆层在3.5%Na Cl溶液中的耐腐蚀性能。熔覆层热处理后,经过900℃连续100h高温氧化,Mn等金属原子的扩散控制着整个氧化进程。随热处理温度升高,孔隙层和晶界更加有利于原子扩散,Mn原子扩散至表面形成不致密的氧化膜,降低了熔覆层的抗高温氧化性能。基于CoCrFeMnNi合金熔覆层具有较低的显微硬度、耐磨损性能和抗高温氧化性能的劣势,课题研究了添加Al元素对AlxCoCrFeMnNi(x=0,0.5,1.0,1.5和2.0)高熵合金熔覆层组织及性能的影响机制。研究表明:AlxCoCrFeMnNi高熵合金熔覆层组织为树枝晶结构。随Al含量增加,熔覆层中FCC相减少,富Al/Ni的BCC相增多,熔覆层平均显微硬度和耐磨损性能增加,x=1.0时,熔覆层平均显微硬度达到556.5HV0.2。AlxCoCrFeMnNi熔覆层在3.5%Na Cl溶液中,由于富Al/Ni的BCC相和FCC相之间形成无数微小原电池,BCC相成为腐蚀起点,降低了熔覆层的耐蚀性能。900℃大气环境下高温氧化,随Al含量增加,熔覆层氧化膜底部形成细小致密的Al2O3氧化膜,减缓了基体金属原子及氧原子进一步扩散,提高了熔覆层的抗高温氧化性能。
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