材料成型及控制工程畢業(yè)設(shè)計(jì)-合金元素mo對高熵合金涂層與基體界面結(jié)合強(qiáng)度影響規(guī)律

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　合金元素Mo對高熵合金涂層與基體界面結(jié)合強(qiáng)度影響規(guī)律</p><p><b>　　誠信聲明</b></p><p>　　本人鄭重聲明：本論文及其研究工作是

2、本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下獨(dú)立完成的，在完成論文時(shí)所利用的一切資料均已在參考文獻(xiàn)中列出。</p><p>　　本人簽名： 年 月 日</p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書</b></p><p>　　設(shè)計(jì)題目： 合金元素Mo對高熵合金涂層與基體界面結(jié)合強(qiáng)度影響規(guī)律

3、 </p><p>　　1．設(shè)計(jì)（論文）的主要任務(wù)及目標(biāo)</p><p>　　用高頻感應(yīng)熔覆技術(shù)制備AlCrCoFeNiMoTiSi高熵合金涂層，通過維氏硬度計(jì)和摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)檢測涂層的力學(xué)性能，分析合金元素Mo對高熵合金涂層的力學(xué)性能影響規(guī)律。</p><p>　　2．設(shè)計(jì)（論文）的基本要求和

4、內(nèi)容</p><p>　　1、了解高熵合金的定義和理論依據(jù)</p><p>　　2、了解高熵合金的制備</p><p>　　3、掌握維氏硬度計(jì)的原理、操作，了解其注意事項(xiàng)</p><p>　　4、掌握摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的原理、操作，了解其注意事項(xiàng)</p><p>　　5、根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)了解高熵合金的力學(xué)性能變化，并總結(jié)規(guī)律&

5、lt;/p><p>　　6、整理材料，撰寫論文</p><p><b>　　3．主要參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]郭偉，梁秀兵，陳永雄，王林磊.高熵合金的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[D].2011年全國青年摩擦學(xué)與表面工程學(xué)術(shù)會議論文集.2011</p><p>　　[2]李忠麗，孫宏飛，高鵬，燕友增，郭娜娜.新型多主

6、元高熵合金的研究進(jìn)度[J].新技術(shù)新工藝.2010-08.</p><p>　　[3] 劉亮.合金元素對高熵合金組織與性能的影響[D].吉林大學(xué).2012-12</p><p><b>　　4．進(jìn)度安排</b></p><p>　　合金元素Mo對高熵合金涂層與基體界面結(jié)合強(qiáng)度影響規(guī)律</p><p>　　摘要：高熵合金是

7、最近幾年發(fā)展起來的一種新型合金體系,打破了傳統(tǒng)合金以一種元素為主,而是由多種組元組成且各種組元的原子濃度幾乎相等,并且可以通過熱處理或改變合金成分,獲得高強(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕和耐髙溫氧化等優(yōu)異的性能組合。鑒于其具有廣闊的應(yīng)用前景,研究其相形成及轉(zhuǎn)變特點(diǎn)、顯微組織和力學(xué)性能等具有重要價(jià)值。本文主要研究了合金元素Mo對AlCoCrFeNiTiSiMo高熵合金涂層與基體界面結(jié)合強(qiáng)度的影響規(guī)律。采用高頻感應(yīng)加熱技術(shù)制備高熵合金涂層，再對涂層鑄態(tài)

8、與退火態(tài)的硬度和耐磨性進(jìn)行研究。</p><p>　　研究發(fā)現(xiàn)高熵合金涂層具有較高的穩(wěn)定性，經(jīng)退火后，其硬度和耐磨性小幅度下降，驗(yàn)證了高熵合金的耐回火軟化特性。</p><p>　　關(guān)鍵詞：高熵合金，涂層，力學(xué)性能</p><p>　　Mo alloy elements of high entropy alloys coating and substrate int

9、erface bonding strength are studied</p><p>　　High entropy alloys is developed in recent years a new type of alloy system, breaking the traditional alloy is given priority to with one element, but various gro

10、up composed of multiple set of yuan yuan's atomic concentration was almost equal, and can be changed by heat treatment or alloy composition, high strength, high hardness, corrosion resistance and high temperature oxi

11、dation resistance and other excellent performance. Given its will have broad prospect of application, studies the characte</p><p>　　The study found that the high entropy alloy coating with high stability, af

12、ter annealing, the hardness and wear resistance are not dropped, resistant to tempering softening characteristics of high entropy alloys was verified.</p><p>　　Key words: High entropy alloys, Coating, Mechan

13、ical Properties</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1.緒論1</b></p><p><b>　　1.1引言1</b></p><p>　　1.2 選題目的和意義1</p><p>　　1.3 課

14、題主要內(nèi)容2</p><p><b>　　2.文獻(xiàn)概述4</b></p><p>　　2.1高熵合金理論4</p><p>　　2.1.1高熵合金的定義4</p><p>　　2.1.2 理論依據(jù)4</p><p>　　2.2高熵合金的制備6</p><p>　

15、　2.2.1電弧爐煉法6</p><p>　　2.2.2高頻感應(yīng)爐加熱熔煉9</p><p>　　2.2.3 激光熔覆技術(shù)9</p><p>　　2.2.4 高頻感應(yīng)熔覆技術(shù)9</p><p>　　2.3 高熵合金的組織與性能特點(diǎn)10</p><p>　　2.3.1 高熵合金的組織特點(diǎn)10</p>

16、;<p>　　2.3.2 高熵合金的性能特點(diǎn)11</p><p>　　2.4 高熵合金的四大效應(yīng)13</p><p>　　2.5 高熵合金的應(yīng)用前景13</p><p>　　3.力學(xué)性能試驗(yàn)15</p><p>　　3.1 試樣的制備15</p><p>　　3.1.1基體的選擇15</

17、p><p>　　3.1.2原料的選擇16</p><p>　　3.3.1高熵合金涂層的制備17</p><p>　　3.2 維氏硬度試驗(yàn)18</p><p>　　3.2.1 儀器介紹18</p><p>　　3.2.2 試驗(yàn)原理20</p><p>　　3.2.3 主要技術(shù)參數(shù)20<

18、;/p><p>　　3.2.4 試驗(yàn)操作步驟21</p><p>　　3.2.5 注意事項(xiàng)22</p><p>　　3.2.6 測量試樣23</p><p>　　3.2.7 試驗(yàn)結(jié)果分析30</p><p>　　3.3 摩擦磨損試驗(yàn)31</p><p>　　3.3.1儀器介紹31<

19、/p><p>　　3.3.2 試驗(yàn)原理32</p><p>　　3.3.3 操作步驟33</p><p>　　3.3.4 試驗(yàn)內(nèi)容33</p><p>　　3.3.5 結(jié)果分析38</p><p><b>　　結(jié)論39</b></p><p><b>　　參

20、考文獻(xiàn)40</b></p><p><b>　　致謝42</b></p><p><b>　　1.緒論</b></p><p><b>　　1.1引言</b></p><p>　　在漫長的歷史長河里，材料的的發(fā)展對人類文明的進(jìn)步有著極大的影響，材料的發(fā)展情況決定

21、著社會的進(jìn)步的程度。人類經(jīng)歷了舊石器時(shí)代、新石器時(shí)代、青銅時(shí)代和鐵器時(shí)代。從青銅時(shí)代以后，金屬材料進(jìn)入了人類的生活，開創(chuàng)了人類物質(zhì)文明的新紀(jì)元。幾千年以來人類一直把金銀銅鐵錫等金屬當(dāng)作生產(chǎn)工具、生活用品、武器的主要原料。但純金屬的性能往往不能滿足生產(chǎn)的需要，隨著社會的發(fā)展，人類知識水平的進(jìn)步，工業(yè)革命以后, 特別是近百年來, 人類開發(fā)的合金系統(tǒng)猶如雨后春筍, 加工工藝更是突飛猛進(jìn)。這一切造就了當(dāng)今制造業(yè)空前繁榮的局面, 也極大的提高了人

22、類的生活水平。</p><p>　　合金，是由兩種或兩種以上的金屬或非金屬經(jīng)一定方法所合成的具有金屬特性的物質(zhì)。傳統(tǒng)的合金材料幾乎都是以1 種金屬元素為主, 添加不同的合金元素獲得具有某些特殊性能的合金。例如以鐵為主元的鋼鐵材料, 以鋁為主元的鋁合金, 以銅為主元的銅合金等。傳統(tǒng)合金的開發(fā)與研究始終被局限在以一元為主的思路內(nèi)， 上百年的發(fā)展已經(jīng)讓新合金系的探索工作到了山窮水盡的地步。隨著科技的發(fā)展，人類對材料的物

23、理和力學(xué)性能的要求越來越高，傳統(tǒng)合金、傳統(tǒng)制備方法已經(jīng)很難滿足這種需求，因此，各種各樣的加工方法被用來提高材料的性能。如快速凝固法，機(jī)械合金化法，噴射成型法，半固態(tài)制造法，等角擠壓法，交附擠壓法，超塑性成型法等等。人類在不斷改造合金加工工藝的同時(shí)，也對新型材料展開了探索。2004年，中國臺灣學(xué)者葉均蔚等突破材料設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)觀念,提出了新的合金設(shè)計(jì)理念：把多種元素都作為其基本組元，而不再是傳統(tǒng)合金體系中以一種或這兩種元素為主。</p&

24、gt;<p>　　1.2 選題目的和意義</p><p>　　材料、信息、能源被稱為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的三大支柱，而材料又是一切技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。任何新的技術(shù)成就，莫不仰賴于各種相互匹配的新型材料，而新型材料中金屬材料是其重要的一個(gè)方面，例如航空、航天工業(yè)所需的高溫合金，核工業(yè)的核燃料、核反應(yīng)堆材料，現(xiàn)代信息技術(shù)使用的硅、鍺等半導(dǎo)體材料、新型磁性材料等。由于這些新技術(shù)的發(fā)展又推動研制新的材料品種和發(fā)展新

25、的冶金生產(chǎn)工藝和裝備。由此可見，金屬材料的開發(fā)和研究是科學(xué)技術(shù)的一個(gè)基本領(lǐng)域。</p><p>　　多主元高熵合金有很多優(yōu)異的性能，如較高的熔點(diǎn)、硬度和耐磨損能力、耐腐蝕能力、熱穩(wěn)定性、高溫抗氧化能力等，因此被認(rèn)為是有巨大發(fā)展?jié)摿Φ男滦秃辖痼w系。不但可以開發(fā)出大量的高科技材料，還可以采用傳統(tǒng)的熔鑄、鍛造、粉末冶金、噴涂法及鍍膜等方法來制作塊材、涂層或薄膜。通過合金元素的選擇和含量的配比可以獲得高硬度、高加工硬化、

26、耐高溫軟化、耐高溫氧化、耐腐蝕、高電阻率、優(yōu)異的磁電性能等特性組合，有很廣泛的潛在應(yīng)用領(lǐng)域。作為一個(gè)展新的研究與應(yīng)用領(lǐng)域,由于高熵合金優(yōu)異的綜合性能,其應(yīng)用將非常廣闊。因此需要更多學(xué)者們?nèi)Ω哽睾辖鸬南嘟M成、顯微組織形成以及各方面的性能進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究,進(jìn)一步探索合金顯微組織與性能的關(guān)系,并根據(jù)相關(guān)理論研究設(shè)計(jì)出具有優(yōu)良性能的高熵合金材料,促進(jìn)高熵合金在工業(yè)上的廣泛應(yīng)用,具有至關(guān)重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會價(jià)值。</p><

27、;p>　　為了開發(fā)出最有研究和應(yīng)用價(jià)值的合金,將金屬合金特性發(fā)揮到極致,根據(jù)高熵合金的設(shè)計(jì)理念,我們需要對這一新型合金的合金化過程的機(jī)理以及其中涉及到的科學(xué)問題進(jìn)行深入的認(rèn)識,去進(jìn)一步研究高熵合金凝固后的微觀組織結(jié)構(gòu)、相的成分以及一些性能等。因此,我們主要開展此方面的研宄工作,從系列實(shí)驗(yàn)中探索高熵合金組織和力學(xué)性能的形成機(jī)理及其影響規(guī)律。</p><p>　　1.3 課題主要內(nèi)容</p>&l

28、t;p>　　本課題為研究合金元素Mo對高熵合金涂層與基體界面結(jié)合強(qiáng)度的影響規(guī)律。選取原材料Al、Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti、Si，的八主元高熵合金涂層，按摩爾比為1:1:1:1:1:X:0.75:0.25配置合金，X取1或者0。用高頻感應(yīng)熔覆熔鑄AlCrCoFeNiMoTiSi高熵合金涂層，選取高速鋼W18Cr4V為基體材料。研究合金涂層鑄態(tài)與退火態(tài)的力學(xué)性能，主要做以下幾方面的工作：</p><p&g

29、t;　　確定合金元素摩爾質(zhì)量，按摩爾比稱取所需元素質(zhì)量，進(jìn)行配料</p><p>　　利用高頻感應(yīng)加熱技術(shù)制備高熵合金熔覆層</p><p>　　制備兩組試樣，每組包括一個(gè)含Mo的高熵合金涂層試樣和一個(gè)不含Mo的高熵合金涂層試樣</p><p>　　利用維氏硬度計(jì)測試合金的硬度，用合金試樣在HV-100型維氏硬度計(jì)上測定其硬度值</p><p&g

30、t;　　利用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測定涂層的摩擦磨損性能</p><p>　　通過以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析合金的力學(xué)性能變化規(guī)律，并得出相應(yīng)結(jié)論</p><p>　　總結(jié)試驗(yàn)結(jié)論，編寫畢業(yè)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　2.文獻(xiàn)概述</b></p><p><b>　　2.1高熵合金理論</b></p&g

31、t;<p>　　2.1.1高熵合金的定義</p><p>　　目前，高熵合金一般被定義為由五種或者五種以上的元素組元，每組元的含量在5%到35%之間，按照等原子比或接近等原子比合金化，其混合熵高于合金的熔化熵，一般形成高熵固溶體的一類合金。簡言之，在五元合金相圖中，在中間位置存在固溶體相區(qū)，這種固溶體目前認(rèn)為是混合熵穩(wěn)定的固溶體。已經(jīng)報(bào)道的典型合金有：葉均蔚等發(fā)現(xiàn)的以 CoCrCuFeNi為代表的面

32、心立方固溶體結(jié)構(gòu)的合金；張勇等發(fā)現(xiàn)的以 A1CoCrFeNi為代表的體心立方固溶體結(jié)構(gòu)的合金。</p><p>　　2.1.2 理論依據(jù)</p><p>　　熵是熱力學(xué)上代表混亂度的一個(gè)參數(shù), 混亂度越大, 熵就越大。一個(gè)物質(zhì)系統(tǒng)的熵包括: 組態(tài)熵、混合熵、振動熵和磁性熵。對于高熵合金而言, 混合熵扮演了一個(gè)十分重要的角色。混合熵也稱組態(tài)熵，組態(tài)熵隨著合金中組元的組合方式的不同而不同，其組

33、態(tài)熵也不同。熵（S）是熱力學(xué)幾率，組態(tài)熵△S=KlnW。計(jì)算熱力學(xué)幾率，實(shí)際上是一個(gè)計(jì)算組合的問題，</p><p>　　設(shè)固溶體晶格中一共有N個(gè)結(jié)點(diǎn)，被A和B兩類原子完全占據(jù)，一個(gè)結(jié)點(diǎn)上只能容納一個(gè)原子，這兩類原子的數(shù)目分別是NA和NB，現(xiàn)在計(jì)算這兩類原子填充到結(jié)點(diǎn)上的組態(tài)數(shù)目。NA個(gè)結(jié)點(diǎn)被A類原子充填后，余下的NB個(gè)結(jié)點(diǎn)由B原子占據(jù)，此時(shí)只有一種組合，所以求兩類原子的填充組合實(shí)際上是求NA個(gè)原子占據(jù)N個(gè)結(jié)點(diǎn)的

34、組合數(shù)，</p><p>　　一般N很大，例如1摩爾原子的晶體中，N就是阿夫加德羅常數(shù)6.0225×1023，所以計(jì)算階乘時(shí)可以采用斯特林(Stirling)近似公式，即</p><p>　　lnN!=NInN-N</p><p><b>　　故組態(tài)熵為</b></p><p>　　如果用摩爾分?jǐn)?shù)表示成分，則上

35、式為</p><p>　　式中，Nk=R=8．314J·mol-1·K-1，即氣體常數(shù)；cB——摩爾分?jǐn)?shù)，cB=NB/N。</p><p>　　cB與（1-cB）都是小于1的正數(shù)，故它們的對數(shù)都是負(fù)的，所以組態(tài)熵Sm為正值。</p><p>　　進(jìn)一步推廣，當(dāng)固溶體由幾種原子組成時(shí)，其組念熵Sm(或混合熵Smix)為</p><

36、;p>　　Smix=-R(c1lnc1+c2lnc2+……+cnlncn) （2.1）</p><p>　　當(dāng)c1=c2……=cn，會得到很高的混合熵。</p><p>　　如果合金的組元都是等摩爾比例，則根據(jù)式(2．1)，合金的混合熵隨著合金主元的個(gè)數(shù)的變化而變化的趨勢如圖2.1，可見，隨著合金元素個(gè)數(shù)的增加，合金的混合熵增加。臺灣學(xué)者發(fā)現(xiàn)當(dāng)合金的主元個(gè)數(shù)n≥5時(shí)，合金生

37、成固溶體，不易出現(xiàn)金屬間化合物，認(rèn)為合金的混合熵起著很大的作用，所以用混合熵來劃分合金世界。根據(jù)式(2．1)，若合金組元都是等摩爾比，則每摩爾的合金的混合熵S=Rlnn，n為主元個(gè)數(shù)，所以二、五主元合金的混合熵分別是：0.693R、1.61R，只有一個(gè)主元的合金的混合熵應(yīng)該小于0．693R，而五主元以上的合金的混合熵大于1．61R。以0.693R和1.61R為界線，可以把全部合金分為三大類，即低熵合金、中熵合金與高熵合金，以1個(gè)元素為主

38、的合金為低熵合金，2～4個(gè)元素為主的合金為中熵合金，5個(gè)主元以上(包含5個(gè))的合金為高熵合金，見圖2.2。</p><p>　　圖2.1合金的混合熵隨合金主元個(gè)數(shù)的變化而變化趨勢圖</p><p>　　圖2.2以熵劃分的合金示意圖</p><p>　　2.2高熵合金的制備</p><p>　　2.2.1電弧爐煉法</p><

39、;p>　　真空電弧如圖2.3所示，由爐體、電源、真空系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)組成。爐體部分由爐殼、電極、結(jié)晶器及電極升降裝置構(gòu)成。工作時(shí)，在電極(負(fù)極)和水冷銅結(jié)晶器(正極)形成的兩極之間，建立低電壓(20～40V)大電流(若干kA)，產(chǎn)生電弧放電，靠電弧釋放出的熱量來熔化金屬。電爐一般是直流供電，一根電極。按照熔煉過程中電極是否消耗(熔化)，分成非自耗電極電弧爐熔煉和自耗電極電弧爐熔煉兩種。非自耗電弧爐，電極用鎢等高熔

40、點(diǎn)材料制成，電弧熔煉時(shí)電極本身并不熔化，是永久性的。自耗電極電弧爐的電極采用被</p><p>　　熔煉材料制成，如熔煉鈦時(shí)電極通常用海綿鈦壓制而成，在熔煉過程中電極本身被熔化。真空電弧熔煉不使用耐火材料，熔煉高熔點(diǎn)難熔金屬鎢、鉬、鉭、鈮和活性很高的鈦和鋯時(shí)可不受耐火材料的污染。爐料邊熔化邊凝固可消除縮孔、中心疏松和偏析等常見鑄錠缺陷，使加工性能優(yōu)良。</p><p>　　圖2.3 真空電

41、弧爐</p><p>　　以WK-П 型非自耗真空熔煉爐為例如圖2.4，介紹真空熔煉爐的具體操作步驟：首先進(jìn)行預(yù)抽前級真空，接通控制柜電源；關(guān)好爐體抽氣閥，開機(jī)械泵，推進(jìn)三通閥桿，開擴(kuò)散蝶閥，打開熱電偶測量低真空，抽到 6×10-2(E)Pa；開擴(kuò)散冷卻水，開擴(kuò)散泵，拉出三通閥，關(guān)好擴(kuò)散蝶閥，將擴(kuò)散泵預(yù)熱 30 分鐘至一個(gè)小時(shí)。然而在預(yù)抽前級真空時(shí)期可以先打開真空爐的爐門，把預(yù)先配好的合金原料放在爐內(nèi)的

42、樣品槽中，如圖 2.5 所示，圖中的坩堝材料為銅，中間位置是進(jìn)行吸鑄用的水冷銅模具，如圖 2.5 所示，周圍的 4 個(gè)坩堝用來放置合金原材料和鈦錠。樣品放完之后關(guān)上爐門，將爐門上的四個(gè)旋鈕擰緊，然后緩慢的打開爐體閥(主要防止機(jī)械泵中油冒出)對爐體進(jìn)行抽真空，此時(shí)為抽低真空，當(dāng)真空度為 0.2Pa 以下時(shí)全部打開爐體閥，再次把爐門上的四個(gè)旋鈕擰緊。當(dāng)真空度達(dá)到 6×10-2Pa 時(shí)，把三通閥推進(jìn)，開擴(kuò)散蝶閥，此時(shí)是利用擴(kuò)散泵對爐

43、體進(jìn)行抽高真空，當(dāng)爐體的真空達(dá)到 5×10-3Pa 時(shí)，關(guān)閉爐體閥，把三通閥拉出，關(guān)閉擴(kuò)散蝶閥，然后把爐體閥打開，此時(shí)把氬氣瓶中的氬氣充入到爐體中至一個(gè)大氣壓，并且反復(fù) 2-3 次的操作，目</p><p>　　圖 2.4 WK-П 型非自耗真空熔煉爐</p><p>　　圖 2.5 銅質(zhì)坩堝和吸鑄模具</p><p>　　2.2.2高頻感應(yīng)爐加熱熔煉&l

44、t;/p><p>　　高頻感應(yīng)爐的加熱方式是通過電子管振蕩電路產(chǎn)生高頻電磁場，然后加到樣品之上，對樣品進(jìn)行感應(yīng)，產(chǎn)生渦電流（渦流），從而產(chǎn)生焦耳熱，使樣品迅速升溫熔化，所以稱為高頻感應(yīng)爐。</p><p>　　熔煉中要加入適量的凈化劑，用于凈化除去金屬液中氧化渣并對金屬液起保護(hù)作用，防止金屬在熔煉過程中過多的氧化。在澆注前應(yīng)將金屬液靜止一段時(shí)間，以利雜質(zhì)的浮起和金屬液成分的均勻，最后將凈化劑撈

45、出，以防止在金屬液澆注過程中氧化渣難以浮起，凝固于合金中，影響金屬合金的性能。為了減少熔煉工程的金屬元素的氧化量，各種成分元素的添加應(yīng)具有一定的順序，例如容易燒損金屬鋁，應(yīng)待其他金屬熔化后再加入到熔煉坩堝中。</p><p>　　2.2.3 激光熔覆技術(shù)</p><p>　　主要用于制備高熵合金涂層。激光熔覆技術(shù)是指以不同的填料方式在被涂覆基體表面上放置選擇的涂層材料，經(jīng)激光輻照使之和基體

46、表面一薄層同時(shí)熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低并與基體材料成冶金結(jié)合的表面涂層，從而顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱、 抗氧化及電器特性等的工藝方法。</p><p>　　激光熔覆具有快速加熱和快速凝固(104一106 ℃/ s)特點(diǎn), 所能制備的涂層厚度可達(dá)到毫米以上 . 已有激光熔覆技術(shù)在制備耐高溫涂層方面主要集中于開發(fā)鉆基和鎳基高溫合金材料, 但是Co 和Ni 都為價(jià)格較高的金屬, 且制備獲得的鉆基和

47、鎳基涂層硬度偏低(500一700HV) . 此外, 激光熔覆技術(shù)還用于制備非晶涂層, 但非晶涂層成分配比要求極為嚴(yán)格, 而激光作用下的熔池中會產(chǎn)生熔體的對流, 因此, 不可避免的會存在一定程度的成分不均勻現(xiàn)象, 與之相比高熵合金可選擇的成分范圍更為寬泛. 因此, 采用激光熔覆制備高熵合金涂層具有允許局部成分在一定程度上存在不均勻、凝固速率快和涂層厚度厚等顯著優(yōu)勢。</p><p>　　2.2.4 高頻感應(yīng)熔覆技術(shù)

48、</p><p>　　感應(yīng)熔覆技術(shù)是在感應(yīng)加熱技術(shù)上發(fā)展起來的，即首先在工件基體上預(yù)制一層合金粉末，利用電磁感應(yīng)原理和“集膚效應(yīng)”，使位于通以交變電流的感應(yīng)線圈中的工件產(chǎn)生感應(yīng)電勢，并在工件中產(chǎn)生渦流和遲滯效應(yīng)，利用其產(chǎn)生的熱量在基體表面熔覆合金涂層，具有周期短、成本低、操作方便、對基體的熱影響小等特點(diǎn)。前人利用感應(yīng)熔覆制備合金涂層方面進(jìn)行了較多研究，朱潤生利用高頻感應(yīng)重熔工藝加工冷彎型鋼成型輥和耐火材料模具芯棒

49、，獲得了顯著的使用效果和經(jīng)濟(jì)效益。</p><p>　　感應(yīng)加熱的原理是：將工件放到感應(yīng)器內(nèi)，感應(yīng)器一般是輸入中頻或高頻交流電 (1000-300000Hz或更高)的空心銅管。產(chǎn)生交變磁場在工件中產(chǎn)生出同頻率的感應(yīng)電流，這種感應(yīng)電流在工件的分布是不均勻的，在表面強(qiáng)，而在內(nèi)部很弱，到心部接近于0，利用這個(gè)集膚效應(yīng)，可使工件表面迅速加熱，在幾秒鐘內(nèi)表面溫度上升到800-1000&ordm;C，而心部溫度升高很

50、小。</p><p>　　高頻感應(yīng)熔覆技術(shù)具有可以高效快速地獲得大面積熔覆層，生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)成本較低，獲得的熔覆層硬度、耐磨性和耐腐蝕性均優(yōu)于其他方法，且熔覆層表面平整，成形性好，后續(xù)加工量較少等優(yōu)點(diǎn)，而備受關(guān)注。</p><p>　　2.3 高熵合金的組織與性能特點(diǎn)</p><p>　　2.3.1 高熵合金的組織特點(diǎn)</p><p>　　

51、根據(jù)傳統(tǒng)合金的發(fā)展經(jīng)驗(yàn), 合金中的主元越多越容易產(chǎn)生金屬間化合物，多種金屬間化合物以及各主要元素彼此相互作用形成的復(fù)雜固溶體，更容易在多組元的合金體系中形成,導(dǎo)致很難分析極其復(fù)雜的合金組織結(jié)構(gòu),更嚴(yán)重的是會使這種合金材質(zhì)變脆,材料性能得到惡化，合金脆性增加、加工性能降低，不利于合金的實(shí)際應(yīng)用。但是在葉均蔚、張勇教授等人研究多組元高熵合金的結(jié)果表明高熵合金容易形成面心立方（FCC）或體心立方（BCC）或非晶結(jié)構(gòu)（Amorphous），并沒

52、有形成復(fù)雜的金屬間化合物。如葉均蔚等發(fā)現(xiàn)的以 CoCrCuFeNi為代表的面心立方固溶體結(jié)構(gòu)的合金；張勇等發(fā)現(xiàn)的以 A1CoCrFeNi為代表的體心立方固溶體結(jié)構(gòu)的合金。如圖2.6。</p><p>　　圖 2.6 等原子比多主元高熵合金的 XRD 圖: (a)塊體合金；(b)薄膜</p><p>　　大量的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，高熵合金可以形成單一的體心立方或面心立方結(jié)構(gòu)相或者體心立方+面心立方簡單

53、的混合相結(jié)構(gòu)，這說明在沒有主元素的情況下，原子比相等或近似相等的各主元會相互固溶成簡單的結(jié)構(gòu)，而沒有形成復(fù)雜的金屬間化合物。</p><p>　　高熵合金還具有另一大特色,就是無論高熵合金在鑄態(tài)下還是在完全退火態(tài)下都會生成納米相,有時(shí)甚至非晶化,相比而言,傳統(tǒng)的合金和大塊非晶合金析出同樣的納米相卻很難,通常只有在一定的熱處理?xiàng)l件下才有可能。通常認(rèn)為,在冷卻過程中,由于溫度的下降而導(dǎo)致合金的混合熵對固溶體的穩(wěn)定化作

54、用減小,從而使高熵合金會發(fā)生一定的相變,比如失穩(wěn)分解、有序化或脫溶析出等。</p><p>　　合金中混合熵和混合焓的大小對自由能的形成有著彼此相互制約的作用,合金系的混合熵值越高,合金系的自由能越低,導(dǎo)致合金傾向于形成簡單的面心立方或體心立方固溶體,尤其在高溫條件下合金熵的作用顯得更加明顯,即合金系所具有的高混合熵特性決定了簡單固溶體的優(yōu)先析出。依據(jù)玻爾茲曼假設(shè)和自由能的計(jì)算公式G = H-TS,高混合熵表現(xiàn)為

55、多方面的作用,如使合金高溫穩(wěn)定性提高并抑制合金有序化,促進(jìn)合金中置換固溶體的形成而非金屬化合物,還可以平衡由于較多具有原子尺寸差異的原子溶入晶格時(shí)而引起合金的晶格畸變,特別是在高溫條件下,合金固溶體相比有序金屬間化合物相更加穩(wěn)定。</p><p>　　2.3.2 高熵合金的性能特點(diǎn)</p><p>　　目前的研究認(rèn)為,由于高熵合金熱力學(xué)上的高熵效應(yīng)、結(jié)構(gòu)上的晶格畸變效應(yīng)、動力學(xué)上的遲滯擴(kuò)散

56、效應(yīng)以及性能上的“雞尾酒”效應(yīng)使得多組元高熵合金的組織特點(diǎn)不同于大多數(shù)傳統(tǒng)合金,并決定了高熵合金具有許多優(yōu)異性能,通常情況下,高滴合金具有高強(qiáng)度及塑性、高硬度及耐磨性、良好的耐熱性、耐腐燭性以及優(yōu)異的磁性能等特性。</p><p><b>　　高強(qiáng)度和高塑性</b></p><p>　　高熵合金由五種或五種以上的主要元素組成,每種元素都發(fā)揮著各自不同角色，因此,高熵合

57、金被認(rèn)為會形成一種“超級固溶體” 因?yàn)楹辖鹬懈鱾€(gè)原子的半徑差異而引起基體嚴(yán)重晶格崎變,從而使得晶體中的位錯運(yùn)動變得不再容易,并且由于一些納米析出相和有序相容易存在于高熵合金中,這在很大程度上進(jìn)一步阻礙了位錯在晶體中的滑移,從而使位錯在合金基體中發(fā)生位錯塞積和位錯纏結(jié)現(xiàn)象而難運(yùn)動,這使得高熵合金具有相當(dāng)高的強(qiáng)度。</p><p><b>　　2、高硬度及耐磨性</b></p>&

58、lt;p>　　高熵合金易產(chǎn)生一系列的強(qiáng)化效應(yīng),如固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化和第二相強(qiáng)化等,這使得高熵合金具有相當(dāng)高的強(qiáng)度和硬度。眾所周知,合金材料的耐磨性的大小取決于硬度的高低因此,多組元高熵合金也同時(shí)具有較好的耐磨性,這些優(yōu)異的性能使得高熵合金可以廣泛應(yīng)用于磨具、刀具等方面。</p><p><b>　　3、耐熱性</b></p><p>　　研究證明,大部分高熵合金

59、的溶點(diǎn)都比所組成元素的溶點(diǎn)要高,并且高溫下具有極高的硬度和強(qiáng)度高熵合金具有較高的熱穩(wěn)定性以及高溫氧化的能力。高熵合金因原子的混亂度大而得名，在高溫下將會有更大的原子混亂度，因此高熵合金無論是結(jié)晶態(tài)還是非結(jié)晶態(tài)都會變得更加穩(wěn)定，仍然存在固溶強(qiáng)化效應(yīng)，可獲得極高的高溫強(qiáng)度。有研究表明高熵合金在1000℃退火12H后爐冷，并未出現(xiàn)回火軟化現(xiàn)象（目前工業(yè)上使用的合金鋼在超過550℃時(shí)就出現(xiàn)回火軟化現(xiàn)象）。</p><p>

60、;<b>　　4、耐腐蝕性</b></p><p>　　在高濃度硫酸、鹽酸、確酸以及堿溶液中,高熵合金(特別是含有Cu、Ti、Cr、Ni或Co的高熵合金)表現(xiàn)出優(yōu)異的耐蝕性,與不銹鋼相比較,有的合金比不銹鋼還耐蝕，另外,高熵合金具有較高的電阻率、較低甚至負(fù)的溫度系數(shù)、良好的軟磁性等特性,在高頻通訊器件有很大的應(yīng)用潛力。</p><p><b>　　5、電和磁

61、性能</b></p><p>　　高熵合金中的一些組元元素具有一定的磁性能，在合金體系中與其他組元相互作用時(shí)，合金也可能具有一定的磁性能；而在高熵合金薄膜中，組元元素的不同以及形成薄膜的顆粒尺寸等因素的影響，對合金的電磁性有一定的影響。</p><p>　　2.4 高熵合金的四大效應(yīng)</p><p>　　目前，根據(jù)高熵合金的性質(zhì)和特點(diǎn)，總結(jié)出高熵合金的四

62、大效應(yīng)：</p><p>　　1、熱力學(xué)上的高熵效應(yīng)，即高熵合金設(shè)計(jì)本質(zhì)。高熵合金的混合熵要明顯高于傳統(tǒng)金屬合金。當(dāng)高熵合金中的元素?cái)?shù)目足夠多，而導(dǎo)致系統(tǒng)的混合熵比形成金屬間化合物的熵變還要大時(shí)，高熵效應(yīng)就會抑制金屬間化合物的出現(xiàn)，促進(jìn)組元間混合形成簡單的體心立方或面心立方結(jié)構(gòu)，甚至形成納米結(jié)構(gòu)相和非晶相。</p><p>　　2、結(jié)構(gòu)上的晶格畸變效應(yīng)。高熵合金存在著嚴(yán)重的晶格畸變，嚴(yán)重的

63、晶格畸變必然會影響到材料的力學(xué)，熱學(xué)，電學(xué)等一系列性能。如高熱阻，高電阻效應(yīng)。</p><p>　　3、動力學(xué)上的遲滯擴(kuò)散效應(yīng)。相變?nèi)Q于原子擴(kuò)散，它需要組元之間的協(xié)同擴(kuò)散才能達(dá)到不同相的平衡分離。這種必要的協(xié)同擴(kuò)散，以及阻礙原子運(yùn)動的晶格畸變，都會限制高熵合金中的有效擴(kuò)散速率。在高熵合金的鑄造過程中，冷卻時(shí)的相分離在高溫區(qū)間通常被抑制從而延遲到低溫區(qū)間。</p><p>　　4、性能上的

64、“雞尾酒”效應(yīng)。高熵合金的“雞尾酒”效應(yīng)是指其多種元素的本質(zhì)特性和他們之間相互作用使高熵合金呈現(xiàn)一種復(fù)雜效應(yīng)。這種“雞尾酒”效應(yīng)是一位印度科學(xué)家首先提出的。舉例來說，如果使用較多輕元素，合金的總體密度將會減小；如果使用較多的抗氧化元素，如鋁或硅，合金的高溫抗氧化能力就會提高。</p><p>　　2.5 高熵合金的應(yīng)用前景</p><p>　　多主元高熵合金有很多優(yōu)異的性能，如較高的熔點(diǎn)、

65、硬度、耐磨損能力、耐腐蝕能力、熱穩(wěn)定性、高溫抗氧化能力等，因此，被認(rèn)為是有巨大發(fā)展?jié)摿Φ男滦秃辖痼w系。不但可以開發(fā)出大量的高技術(shù)材料，還可以采用傳統(tǒng)的熔鑄、鍛造、粉末冶金、噴涂法及鍍膜等方法來制作塊材、涂層或薄膜。通過合金元素的選擇和含量的配比可以獲得高硬度、高加工硬化、耐高溫軟化、耐高溫氧化、耐腐蝕、高電阻率、優(yōu)異的磁電性能等特性組合，有很廣泛的潛在的應(yīng)用領(lǐng)域。比如：高硬度且耐磨耐溫耐蝕的工具、模具、刀具；高爾夫球頭打擊面、油壓氣壓桿

66、、鋼管及輥壓筒的硬面；高頻變壓器、馬達(dá)的磁心、磁屏蔽、磁頭、磁盤、磁光盤、高頻軟磁薄膜材料；化學(xué)工廠、IC 廠、船艦的耐蝕高強(qiáng)度材料；渦輪葉片、焊接材料、熱交換器及高溫爐的耐火材</p><p>　　料，超高大樓的耐火骨架，噴鍍金屬材料的抗擴(kuò)散膜和微機(jī)電材料。圖 2.7是多主元高熵合金已經(jīng)取得的一些應(yīng)用，如合金鉆頭，涂層的合金渦輪，高爾夫球頭和微機(jī)電元件。</p><p>　　圖2.7 高

67、熵合金應(yīng)用實(shí)例</p><p>　　3.力學(xué)性能試驗(yàn) </p><p><b>　　3.1 試樣的制備</b></p><p>　　3.1.1基體的選擇</p><p>　　性能優(yōu)良的刀具材料是保證刀具高效工作的基本條件。刀具材料應(yīng)當(dāng)具備的基本性能是：高的硬度和耐磨性，足夠的強(qiáng)度和韌性，高的耐熱性。此外，刀具材料還

68、應(yīng)當(dāng)具有良好的工藝性和經(jīng)濟(jì)性。</p><p>　　常用的刀具材料有：碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼、硬質(zhì)合金，陶瓷、金剛石、立方氮化硼等。</p><p>　　碳素工具鋼和合金工具鋼由于切削性能較差已很少使用，僅用于一些手工工具及切削速度較低的刀具。</p><p>　　硬質(zhì)合金是由高硬度的難溶金屬碳化物和金屬粘結(jié)劑用粉末冶金方法制成的一種刀具材料。由于硬質(zhì)合金成

69、分中含有大量的金屬碳化物，這些碳化物具有熔點(diǎn)高，硬度高，耐熱性好等特點(diǎn)，因此，硬質(zhì)合金的硬度，耐磨性，耐熱性都很高。但硬質(zhì)合金的強(qiáng)度和韌性比高速鋼差很多，因此不像高速鋼刀具那樣能承受較大的切削振動和沖擊負(fù)荷。</p><p>　　陶瓷、金剛石、立方氮化硼等或因強(qiáng)度低，脆性大或因成本高僅用于某些有限場合。</p><p>　　高速鋼具有特別高的強(qiáng)度（其抗拉強(qiáng)度為一般硬質(zhì)合金的2-3倍，為陶瓷

70、的5-6倍）和韌性（沖擊韌度較硬質(zhì)合金的陶瓷高幾十倍），適用于各類切削刀具的要求。高速鋼可加工性好，熱變形較小，這對于形狀復(fù)雜及大型成形刀具非常重要，故在復(fù)雜刀具（鉆頭、絲錐、拉刀、齒輪刀具、成行刀具等）制造過程中，高速鋼仍然占主要地位。</p><p>　　綜合考慮，選基體材料為高速鋼。我國目前使用最廣泛的高速鋼是W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2。W6Mo5Cr4V2的抗彎強(qiáng)度和韌性均高于W18Cr4V，而

71、且熱塑性好，故適用于做軋制或扭制鉆頭。W18Cr4V，典型的萊氏體鋼，特點(diǎn)是紅硬性和耐磨性高，而且有一定的韌性，因而常用來制作各種刀具和冷作模具。所以本次試驗(yàn)選用W18Cr4V作為基體材料。</p><p>　　表3.1 W18Cr4V鋼的化學(xué)成分</p><p>　　W18Cr4V屬于高合金鋼，其特點(diǎn)是升溫速度慢,鍛造溫度范圍窄。始鍛溫度為1100～1150℃，終鍛溫度為900～950℃

72、。</p><p>　　W18Cr4V鋼的導(dǎo)熱性差，一般需分段加熱。低溫段加熱溫度為800～900℃，加熱時(shí)間一般按1mi n/ mm計(jì)算。高溫時(shí)快速加熱，加熱時(shí)間一般按0. 5min/ mm計(jì)算。加熱時(shí)，為了防止過熱或過燒，要嚴(yán)格控制上限溫度。同時(shí)，爐內(nèi)的坯料要裝爐適量，還要不停地翻轉(zhuǎn)，以使其內(nèi)外溫度均勻。</p><p>　　3.1.2原料的選擇</p><p>

73、;　　本次試驗(yàn)制備的高熵合金所用的合金元素為：Al、Ti、Cr、Mo、Fe、Co、Ni、Si，原料的純度全部為 99.9%。表3.2為高熵合金組元元素的基本性質(zhì) </p><p>　　表3.2 高熵合金組元元素基本性質(zhì)</p><p>　　查找各元素的摩爾質(zhì)量，按比例稱取元素粉末，總重在30～50g之間，各元素質(zhì)量如下表3.3。</p><p>　　表3.3 各元素

74、質(zhì)量表</p><p>　　3.1.3 高熵合金涂層的制備 </p><p>　　近幾年來，材料表面新技術(shù)特別是涂層技術(shù)的發(fā)展越來越快。在眾多的金屬材料表面改性處理技術(shù)中，熔覆處理技術(shù)具有熔覆層厚、質(zhì)量高、成分可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，在很大程度上適合于處理耐磨性要求較高的工作表面。目前，主要利用熱噴焊、熱噴涂、堆焊、冷噴涂、激光熔覆等技術(shù)制得復(fù)合涂層。但這些技術(shù)仍存在一定的不足，例如熱噴焊涂層工藝差

75、，涂層質(zhì)量低；激光熔覆設(shè)備昂貴，激光效率低；堆焊涂層質(zhì)量低，基體容易變形。試驗(yàn)證明，與激光熔覆、氬弧熔覆、等離子熔覆等熔覆技術(shù)相比，高頻感應(yīng)熔覆技術(shù)具有可以高效快速地獲得大面積熔覆層，生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)成本較低，獲得的熔覆層硬度、耐磨性和耐腐蝕性均優(yōu)于其他方法，且熔覆層表面平整，成形性好，后續(xù)加工量較少等優(yōu)點(diǎn)，而備受關(guān)注。本實(shí)驗(yàn)采用高頻感應(yīng)加熱熔覆的方法，在W18Cr4V基體表面熔覆高熵合金粉末獲得耐磨熔覆層，并對熔覆層的硬度、耐磨損性能

76、進(jìn)行分析研究。</p><p>　　試樣選取的基體材料是W18Cr4V，涂層材料是Al、Ti、Cr、Mo、Fe、Co、Ni、Si八主元高熵合金粉末，采用的粘結(jié)劑是松香和松節(jié)油的飽和溶液，高頻感應(yīng)加熱設(shè)備是LH-60型。設(shè)備參數(shù)如表3.4。</p><p>　　表3.4 感應(yīng)加熱設(shè)備技術(shù)參數(shù)</p><p>　　首先用不同型號的砂紙打磨基體表面，放在煤油中清洗，最后

77、再用吹風(fēng)機(jī)將基體材料徹底吹干。然后把松香和松節(jié)油調(diào)配成飽和溶液，制得試驗(yàn)所需要的粘結(jié)劑。將混合均勻的高熵合金粉末與粘結(jié)劑調(diào)成牙膏狀，均勻的涂抹在基體材料表面上，涂層厚度限制在1.～2mm之間。涂抹完成后要保證涂層平整，沒有涂層缺陷或涂層流失的現(xiàn)象。把涂抹好的基體放入電熱鼓風(fēng)干燥箱加熱烘干，烘干溫度控制在100℃，烘干時(shí)間8h。把烘干好的試塊放入真空箱中，真空箱體密封好之后再抽真空，一直抽到真空度降到50Pa以下為止。</p>

78、<p>　　利用高頻感應(yīng)加熱技術(shù)對試件進(jìn)行熔燒。熔燒狀態(tài)分為：熔融狀態(tài)和過熔狀態(tài)。涂層經(jīng)熔燒約100s后，涂層處于初熔化狀態(tài)，立即停止加熱。當(dāng)涂層處于熔化狀態(tài)后，繼續(xù)加熱約20s，合金涂層處于過熔狀態(tài)，涂層溶液有明顯的雜質(zhì)上浮和流動現(xiàn)象，停止加熱。</p><p>　　為了分析熱處理對高熵合金涂層力學(xué)性能的影響，將其中一組試樣，放入加熱箱進(jìn)行熱處理，加熱到1000℃，保溫3H，然后隨爐冷卻。<

79、/p><p>　　3.2 維氏硬度試驗(yàn)</p><p>　　3.2.1 儀器介紹</p><p>　　維氏硬度試驗(yàn)方法是英國史密斯（R.L.Smith）和塞德蘭德（C.E.Sandland）于1925年提出的。維氏硬度計(jì)是光機(jī)電一體化的高新技術(shù)產(chǎn)品，該機(jī)器造型新穎，具有良好的可靠性、可操作性和直觀性，是采用精密機(jī)械技術(shù)和光電技術(shù)的新型維氏和努普硬度測試儀器。維氏硬度計(jì)的

80、試驗(yàn)力比較多，只要工件表面的粗糙度符合標(biāo)準(zhǔn)，維氏硬度計(jì)都可以檢測。維氏硬度計(jì)通過步進(jìn)電機(jī)，對工件表面進(jìn)行打壓，之后再由讀數(shù)顯微鏡測量壓痕的對角線的長度。之后利用對角線及試驗(yàn)力的一個(gè)換算關(guān)系來測得維氏硬度。另外可以安裝維氏硬度計(jì)測量軟件，通過電腦顯示屏來顯示圖像，操作測量硬度值更方便和快捷。</p><p>　　本次試驗(yàn)采用的是HVT-1000圖像處理自動轉(zhuǎn)塔維氏硬度計(jì)如圖3.1，它具有先進(jìn)</p>

81、<p>　　圖3.1 HVT-1000圖像處理自動轉(zhuǎn)塔維氏硬度計(jì)</p><p>　　的電腦自動測量分析系統(tǒng)，物鏡與壓頭切換時(shí)自動轉(zhuǎn)塔，試樣測量定點(diǎn)，尤其是測量滲碳層、氮化層能精確定位，像質(zhì)清晰，能自動測量壓痕并顯示硬度值，換算出相對應(yīng)的洛氏、布氏等硬度值，能滿足滲碳零件的滲碳層深度的測量和曲線圖、高頻淬火零件的淬硬層深度的測量和曲線圖等要求。該機(jī)直觀性強(qiáng)，測量方便，減少了人為誤差，大大提高了測量精度，

82、避免了使用者的視覺疲勞。試驗(yàn)表面類型可分為：平面、球面（凸）球面（凹）圓柱（45°凸）圓柱（0°凸）圓柱（45°凹）圓柱（0°凹）可針對不同的類型進(jìn)行硬度修正。</p><p><b>　　適用范圍：</b></p><p>　　1、表面滲鍍層，碳化層、淬火硬化層,表面覆層,的表面硬度及硬化層深度。</p><

83、;p>　　2、有色金屬和微小及薄形零件的顯微維氏硬度測定微小、薄形試件、等試件的顯微維氏硬度。</p><p>　　3、測定各種陶瓷、瑪瑙、玻璃、等較脆而又硬的材料的努氏（HK）硬度。</p><p>　　4、應(yīng)用于大專院校，科研機(jī)構(gòu)、工廠及質(zhì)監(jiān)部門的各種金屬非金屬材料的研究及檢驗(yàn)。</p><p>　　3.2.2 試驗(yàn)原理</p><p&

84、gt;　　該試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理是用一個(gè)兩相對面間夾角α為136的金剛石四棱錐體為壓頭，施以一定的試驗(yàn)力F（N），將其壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時(shí)間t后卸除試驗(yàn)力，試樣表面將殘留壓痕。測量壓痕對角線平均長度d（d=(d1+d2)/2）,用以計(jì)算壓痕表面積A。維氏硬度值(HV)為試驗(yàn)力F除以壓痕面積A所得的商，即</p><p>　　維氏硬度實(shí)驗(yàn)之所以采用正四棱錐體壓頭，是為了當(dāng)改變實(shí)驗(yàn)力時(shí)，壓痕的幾何形狀總保持相似，而不

85、致影響硬度值。如圖3.2.。</p><p>　　圖3.2. 維氏硬度試驗(yàn)壓頭及壓痕圖</p><p>　　3.2.3 主要技術(shù)參數(shù)</p><p>　　表3.5 硬度計(jì)主要技術(shù)參數(shù)</p><p>　　3.2.4 試驗(yàn)操作步驟</p><p>　　1、打開硬度計(jì)開關(guān)，旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)力變換手輪，選擇試驗(yàn)力，本次實(shí)驗(yàn)選用0.2

86、Kgf。</p><p>　　2、顯示屏上顯示MODEL和NOT-COV菜單，MODEL有HV、HK二種試驗(yàn)法， 維氏硬度計(jì) 按方向鍵移選擇表，表1適用于有色金屬，表2適用于黑色金屬，按ENTER鍵確認(rèn)，主屏幕彈出轉(zhuǎn)換表，按ENTER鍵確認(rèn)，主屏幕狀態(tài)顯示出所選硬度值轉(zhuǎn)換標(biāo)尺。</p><p>　　3、選擇保荷時(shí)間，10s是最常用的試驗(yàn)力加載時(shí)間，可以按“↑”“↓”調(diào)整。本次試驗(yàn)選擇10s

87、保荷時(shí)間。</p><p>　　4、按方向鍵，彈出FUNCTION菜單。選擇第一個(gè)選項(xiàng)Single, 按ENTER鍵確認(rèn)， 硬度計(jì) 開始進(jìn)入工作狀態(tài)。</p><p>　　5、轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)塔，使40x物鏡處于前方位置（光學(xué)系統(tǒng)總放大倍率為400x處于測量狀態(tài)）。</p><p>　　6、將試樣放在十字試臺上，轉(zhuǎn)動旋輪使試臺上升，當(dāng)試樣離40x物鏡下端1mm時(shí)，然后用眼睛靠

88、近測微目鏡觀察。在測微目鏡的視場內(nèi)出現(xiàn)明亮光斑，說明聚焦面即將到來，此時(shí)應(yīng)緩慢上升或下降試臺，直至目鏡中觀察到試樣表面清晰成像，這時(shí)聚焦過程完成。</p><p>　　7、將壓頭轉(zhuǎn)至前方位置，要感覺到轉(zhuǎn)塔已被定位，轉(zhuǎn)動時(shí)應(yīng)緩慢地進(jìn)行，防止過快沖擊，此時(shí)壓頭頂端與聚焦好的試樣平面的距離約為0.3～0.45mm。</p><p>　　8、按啟動鍵，此時(shí)施加試驗(yàn)力，屏幕上出現(xiàn)LOAD，表示加試驗(yàn)

89、力，DWELL表示保持試驗(yàn)力，UVLOAD表示卸除試驗(yàn)力，電機(jī)工作結(jié)束，屏幕出現(xiàn)等待測量如圖</p><p>　　9、將40x物鏡轉(zhuǎn)至前方，這時(shí)就可在測微目鏡中測量壓痕對角線長度，如果壓痕不太清楚，可緩慢轉(zhuǎn)動旋輪。上下移動試臺，將其調(diào)整到最清楚。</p><p>　　10、通過維氏硬度計(jì)測量軟件，通過電腦顯示屏來顯示圖像，測量壓痕長度，計(jì)算出維氏硬度。</p><p&g

90、t;　　11、在每個(gè)試樣上選擇幾個(gè)不同位置的點(diǎn)進(jìn)行測試，記錄其硬度值。</p><p>　　3.2.5 注意事項(xiàng)</p><p>　　1、在使用本儀器前應(yīng)仔細(xì)閱讀使用說明書，詳細(xì)了解儀器操作步驟及使用注意事項(xiàng)，避免由于使用不當(dāng)而造成儀器損壞或發(fā)生人身安全事故。</p><p>　　2、儀器電器元件、開關(guān)、插座安裝位置嚴(yán)禁自行拆裝，如果擅自拆裝將可能出錯而引發(fā)事故。&

91、lt;/p><p>　　3、儀器在測量狀態(tài)下，請不要施加試驗(yàn)力，如不小心按啟動鍵，這時(shí)不能去動儀器其他東西，只有等待試驗(yàn)力施加完畢后，才能可去動。</p><p>　　4、試樣表面必須清潔，如果表面沾有油脂和污物，則會影響測量準(zhǔn)確性。在清潔試樣時(shí)，可用酒精或者乙醚抹擦。</p><p>　　5、為了獲得較準(zhǔn)確的硬度值，在每個(gè)試樣上的試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)應(yīng)不小于三點(diǎn)（第一點(diǎn)不記），取

92、三點(diǎn)的算術(shù)平均值作為硬度值。對于大批試樣的檢驗(yàn)，點(diǎn)數(shù)可以適當(dāng)減少。</p><p>　　6、為了獲得較準(zhǔn)確的硬度值，在每個(gè)試樣上的試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)應(yīng)不小于三點(diǎn)（第一點(diǎn)不記），取三點(diǎn)的算術(shù)平均值作為硬度值。對于大批試樣的檢驗(yàn)，點(diǎn)數(shù)可以適當(dāng)減少。</p><p>　　3.2.6 測量試樣</p><p>　　本次試驗(yàn)樣品有兩組，分別是經(jīng)過熱處理和未經(jīng)過熱處理，即鑄態(tài)和退火態(tài)。每

93、組有兩個(gè)試樣，含Mo元素與不含Mo元素的試樣如圖。</p><p>　　圖3.3 鑄態(tài)試樣 （左）含Mo 試樣01 （右）不含Mo試樣02</p><p>　　圖3.4 退火態(tài)試樣（左）含Mo試樣03 （右）不含Mo試樣04</p><p><b>　　每次試驗(yàn)參數(shù)相同：</b></p><p>　　儀器號(Ins

94、turment No.):MICRO-586</p><p>　　試驗(yàn)力(Test Force):200 力保持時(shí)間(Duration of force):10</p><p>　　試驗(yàn)次數(shù)(Test Times):6 顯微鏡倍率(Microscope Magnification):40</p><p>　　壓頭鋼球直徑(Pr

95、ess steel ball diameter):2.5</p><p>　　鑄態(tài)含Mo的試樣01</p><p>　　試驗(yàn)值(Test Value):</p><p>　　平均值(Average Vlaue):547.15 極差(Range):158.47</p><p>　　最大值(Max. Vlaue):615.

96、65 分散度(Disperse): 28.96%</p><p>　　最小值(Min. Vlaue):457.18</p><p>　　圖3.5 試樣01壓痕圖（HV=543）</p><p>　　圖3.6 試樣01金相組織（HV=615.65）</p><p>　　2、未經(jīng)熱處理的不含Mo的試樣02</p>

97、;<p>　　試驗(yàn)值(Test Value):</p><p>　　平均值(Average Vlaue):392.41 極差(Range):103.87</p><p>　　最大值(Max. Vlaue):446.95 分散度(Disperse): 26.47%</p><p>　　最小值(Min. Vl

98、aue):343.08</p><p>　　圖3.7 試樣02壓痕圖（HV=343）</p><p>　　圖3.8 試樣02金相組織圖（HV=446.95）</p><p>　　3、經(jīng)熱處理的含Mo元素試樣03</p><p>　　試驗(yàn)值(Test Value): </p><p>　　平均值(Average Vlau

99、e):351.00 極差(Range):227.92</p><p>　　最大值(Max. Vlaue):473.24 分散度(Disperse): 64.93%</p><p>　　最小值(Min. Vlaue):245.32</p><p>　　圖3.9 試樣03金相組織圖(HV=473.24）</p>

100、;<p>　　4、經(jīng)熱處理的不含Mo元素試樣 04</p><p>　　試驗(yàn)值(Test Value): </p><p>　　平均值(Average Vlaue):356.16 極差(Range):150.62</p><p>　　最大值(Max. Vlaue):446.97 分散度(Disperse)

101、: 42.29%</p><p>　　最小值(Min. Vlaue):296.355、</p><p>　　圖3.11 試樣04壓痕圖（HV=348）</p><p>　　圖3.12 試樣04金相組織圖（HV=405.14）</p><p>　　5、基體材料的硬度 05</p><p>　　試驗(yàn)值(Test Valu

102、e):</p><p>　　平均值(Average Vlaue):267.04 極差(Range): 31.53</p><p>　　最大值(Max. Vlaue):282.64 分散度(Disperse): 11.81%</p><p>　　最小值(Min. Vlaue):251.11</p><

103、p>　　圖3.13 基體壓痕圖（HV=259）</p><p>　　圖3.14 基體金相組織圖</p><p>　　3.2.7 試驗(yàn)結(jié)果分析</p><p>　　金屬的硬度是指金屬材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力，它是衡量金屬材料軟硬程度的一個(gè)重要指標(biāo)，能夠敏感的反應(yīng)出材料對塑性形變、摩擦磨損和抵抗切削的能力。四個(gè)試樣與基體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，可以看出，帶有涂層

104、面的高熵合金硬度明顯高于基體表面的硬度。</p><p>　　試樣01的硬度明顯高于試樣03的硬度，其原因是由于Mo元素熔點(diǎn)過高，在涂層制備過程中很難滲入，只有試樣01中滲入，也證明了Mo元素對提高高熵合金的硬度起到很大作用。試樣01和試樣02的硬度值相比較，也證明了這點(diǎn)。</p><p>　　試樣02與試樣03相比較，經(jīng)過1000℃退火后，試樣的硬度值相差不多，證明了高熵合金具有較高的熱

105、穩(wěn)定性以及高溫氧化的能力。高熵合金因原子的混亂度大而得名，在高溫下將會有更大的原子混亂度，因此高熵合金無論是結(jié)晶態(tài)還是非結(jié)晶態(tài)都會變得更加穩(wěn)定，仍然存在固溶強(qiáng)化效應(yīng)，可獲得極高的高溫強(qiáng)度。經(jīng)過1000℃退火后，也未出現(xiàn)回火軟化現(xiàn)象。</p><p>　　從試樣的金相組織圖中可以看出，高熵合金涂層滲透不均勻，在今后的試驗(yàn)中，應(yīng)改善涂層制備方法，獲得更均勻的高熵合金涂層。</p><p>　　

106、3.3 摩擦磨損試驗(yàn)</p><p><b>　　3.3.1儀器介紹</b></p><p>　　立式萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)是由主軸驅(qū)動系統(tǒng)，摩擦副專用夾具，油盒與加熱器，試驗(yàn)力傳感器，摩擦力矩測定系統(tǒng)，摩擦副下副盤升降系統(tǒng)，彈簧式微機(jī)施力系統(tǒng)，操縱面板系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等部分組成。如下圖3.3.</p><p>　　圖3.15 立式萬能磨損試驗(yàn)

107、機(jī)</p><p><b>　　1.主機(jī)部分</b></p><p>　　主機(jī)由主軸驅(qū)動系統(tǒng)，摩擦副專用夾具，高溫爐，試驗(yàn)力傳感器，摩擦力測定系統(tǒng)、摩擦副下副盤升降系統(tǒng)，施力系統(tǒng)等部門組成。他們都安裝在以焊接機(jī)座為主體的機(jī)架中。</p><p>　　主機(jī)的下部是試驗(yàn)機(jī)施力系統(tǒng)和微機(jī)自動加荷系統(tǒng)，機(jī)座的側(cè)面有門，打開時(shí)能清楚看到內(nèi)部機(jī)構(gòu)，以便進(jìn)行

108、調(diào)試檢修。</p><p>　　2.主軸及其驅(qū)動系統(tǒng)</p><p>　　主軸電機(jī)選用自主研制的伺服一體化調(diào)速系統(tǒng)及電機(jī)。該系統(tǒng)電機(jī)的額定力矩為5N·m，調(diào)速范圍為0.1-2000r/min,無極恒扭矩，高速精度為0.2%，該電機(jī)最大功率約3Kw，在主軸和電機(jī)上部分別裝有從動和主動特制的圓弧齒形帶輪，通過圓弧齒同步帶把電機(jī)的功率傳遞到主軸上。由于應(yīng)用了閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)使其在低轉(zhuǎn)速下具

109、有高的傳動力矩，它完全改變了可控硅無級變速系統(tǒng)在低轉(zhuǎn)速下傳動力成倍遞減的特點(diǎn)。</p><p><b>　　3.摩擦副部分</b></p><p>　　該試驗(yàn)機(jī)常規(guī)配有五種摩擦副，止推圈端面摩擦副、球摩擦副等。按照說明安裝好試樣，即可進(jìn)行試驗(yàn)。</p><p>　　3.3.2 試驗(yàn)原理</p><p>　　摩擦表面上的物

110、質(zhì)，由于表面相對運(yùn)動而不斷損失的現(xiàn)象稱磨損。在一般正常工作狀態(tài)下，磨損可分三個(gè)階段：</p><p>　　(1).跑合（磨合）階段：輕微的磨損，跑合是為正常運(yùn)行創(chuàng)造條件。</p><p>　　(2).穩(wěn)定磨損階段：磨損更輕微，磨損率低而穩(wěn)定。</p><p>　　(3).劇烈磨損階段：磨損速度急劇增長，零件精度喪失，發(fā)生噪音和振動，摩擦溫度迅速升高，說明零件即將失效