AlxCrCuFeNi2高熵合金的组织结构及其摩擦学性能研究

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自1995年高熵合金的概念正式提出以来,高熵合金由于其先进的合成理念、简单的结构和优异的性能得到了国内外学者的广泛关注与研究报道。本文在已广泛报道的Al-Co-Cr-Cu-Fe-Ni系合金基础上,设计得到了新的合金体系Al-Cr-Cu-Fe-Ni2。重点研究了AlxCrCuFeNi2系高熵合金在不同Al元素含量下的显微组织,并考察了合金的组织结构、外界介质环境以及载荷对合金摩擦学性能的影响。  本高熵合金材料通过WKFEI非自耗真空电弧熔炼炉冶炼制备,并采用金相显微镜、日本理光D/MAX-RB型X射线衍射仪、JEOL JSM-6390型扫描电镜等分析仪器对高熵合金的形貌及组织结构进行分析,采用 HVS-1000型维氏硬度计测试其硬度,通过MFT-R4000型往复摩擦磨损试验机研究合金材料在干滑动、去离子水和雨水中的摩擦学性能,测试并分析模拟环境及负载变化对合金材料摩擦学性能的影响。研究结果表明:  1.对于AlxCrCuFeNi2(x=1.0,1.3,1.8)高熵合金系,Al含量的增加导致合金材料的微观组织由简单的面心立方(FCC)结构转变为体心立方(BCC)结构,硬度呈现递增趋势。当x=1.8时,FCC结构消失,完全被BCC取代,同时硬度值达到最高。  2. Al的摩尔比为1.3时,高熵合金在室温干摩擦条件下的磨损率最低,耐磨性能最好。并且随载荷增大,其摩擦系数波动减小,磨损率呈降低趋势。磨损机制主要为磨粒磨损。x=1.0时,合金硬度低且元素偏析严重,摩擦表面产生大的裂纹和塑性变形,并发生氧化和疲劳磨损,耐磨性最差。  3.去离子水中,高熵合金的摩擦系数明显平缓,磨损表面光滑平整,磨损轻微,磨损率比干磨时低一个数量级。此外,在相同条件下,铝含量高的合金(x=1.3,1.8)的磨损率相近,远低于铝含量低的合金AlCrCuFeNi2,磨损率降幅超过75%。  4.模拟雨水中,磨痕表面残留细小的腐蚀泥,合金发生腐蚀磨损。在模拟雨水中进行电化学测试测试合金系的耐腐蚀性。结果表明三种合金的自腐蚀电位相近,Al1.3CrCuFeNi2合金的自腐蚀电流密度最低。此外,铝元素高的两种合金发生两次钝化,且二次钝化电位区间长达750 mV,形成了有效的钝化膜,提高了合金的耐蚀性。在摩擦过程中,Al1.3CrCuFeNi2合金表现出最佳的抗腐蚀磨损性能。
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