T12钢基体表面熔渗高熵合金（含Mo）工艺及性能研究

IT12钢基体表面熔渗高熵合金工艺及性能研究摘要：高熵合金具有一些传统合金所无法比拟的优异性能，如高强度、高硬度、高耐磨耐腐蚀性、高热阻、高电阻等，从而成为在材料科学和凝聚态物理领域中继大块非晶之后一个新的研究热点。作为碳素工具钢的一种，T12钢常用来生产冲压模具和切削刃具，将高熵合金作为涂层涂到T12钢表面，可显著提高T12工具表面的硬度和耐磨性，提高产品的使用寿命。本文通过一系列实验来研究高熵合金在不同金属基体材料上获得的熔渗层的工艺、组织和性能。主要进行以下实验：高熵合金在T12钢和T8基体表面熔渗工艺实验，对熔渗高熵合金的材料表面进行显微组织观察，测定熔渗后材料的表面硬度。关键词：高熵合金、T12钢、表面熔渗IIT12steelsubstratesurfacealuminizedhighentropyalloyorganizationandperformancestudyAbstract:highentropyalloyshavetheexcellentpropertiesofsometraditionalalloy,suchashighstrength,highhardness,highwearresistance,corrosionresistance,heatresistance,highresistance,etc.,tobecomeinthefieldofmaterialsscienceandcondensedmatterphysicsrelaybulkamorphousafteranewresearchhotspot.Atpresent,theresearchofhighentropyalloysaremoreconcentratedintheas-castperformancetesting,weknowthattheas-castundertheperformanceoftheproducthasanaturaldefects(suchascausedbyheatbilgescoldshrinkhole,osteoporosis,etc.),andaftertheheattreatmentandhotworkingperformancestudylackofreports.Asakindofcarbontoolsteel,T12steelwithhighhardness,wearability,buttoughnessislow,inviewofhighentropyalloyswithhighhardness,strength,wearresistanceandothercharacteristics,consideringthehighentropyalloysascoatingstoT12steelsurface,meltinfiltration,sothatwecangethigherT12steelstrength.Tothisend,wewillconductaseriesofcomparativeexperiments.Tostudythehighentropyalloymeltinfiltrationindifferentmetalsubstratematerialforaluminizedlayeronorganizationandperformance.Wemainlymakethefollowingexperiments:thehighentropyalloysinT12steelsubstratesurfacemeltinfiltrationprocessexperiment,aluminizedhighentropyalloysmicrostructureobservation,mechanicalpropertiessuchashardness,wearresistanceexperiments.Keywords:highentropyalloys,T12steel,surfacemeltinfiltrationIII目录1前言.11.1概述.11.2高熵合金的定义.11.3高熵合金的组织特点.11.4高熵合金的性能特点.21.4.1高强度与硬度.21.4.2良好的耐磨性.31.4.3良好的塑性和韧性.31.4.4耐热性.31.4.5耐腐蚀性.41.5涂层技术.41.5.1热喷涂技术.41.5.2.物理气象沉积技术（PVD）.41.5.3.化学气相沉积技术（CVD）.41.5.4湿法沉积.51.6高熵合金涂层的制备.51.6.1真空电弧熔炼技术.51.6.2机械合金化.51.6.3磁控溅射技术.61.6.4热喷涂技术.61.6.5激光熔覆法.61.7高熵合金的应用.61.8高熵合金的研究现状.71.9高熵合金的前景.82熔渗高熵合金试样的制备.92.1配制高熵合金.92.1.1配置八组元高熵合金.92.1.2配置五组元高熵合金.9IV2.2配制粘结剂.102.3T12钢基体熔渗高熵合金试样的制备.102.3.1制备光滑面基体熔渗高熵合金试样.102.3.2制备粗糙面基体熔渗高熵合金试样.102.4高熵合金试样制备使用仪器.103基体熔渗高熵合金工艺及组织研究.123.1基体材料成分、组织、性能介绍.123.1.1T12钢化学成分.123.1.2T12钢基体组织.123.1.3T12钢性能简介.133.2热处理炉加热熔渗高熵合金工艺.133.2.1T12钢热处理炉加热后与原基体图片对比.133.2.2T8钢热处理炉加热后与原基体图片对比.143.3五组元感应加热熔渗效果.143.3.1T12钢五组元感应加热熔渗.143.3.2T8钢五组元感应加热熔渗.153.4对比T12钢基体，热处理炉加热，感应加热后.163.5基体熔渗高熵合金工艺研究使用仪器.173.5.1金相抛光机.173.5.2三目倒置金相显微镜.184基体熔渗高熵合金力学性能研究.204.1基体熔渗高熵合金力学性能研究使用仪器.204.1.1维氏硬度计简介.204.1.2维氏硬度计用途.214.1.3维氏硬度计原理.214.1.4维氏硬度计工作环境.214.2维氏硬度的表示方法.224.3维氏硬度试验注意事项.224.4感应加热力学性能.234.4.1T12钢感应加热.23V4.4.2T8钢感应加热.24结论.27参考文献.28致谢.30VI11前言1.1概述高熵合金的提出是基于20世纪90年代大块非晶合金的开发，人们都致力于寻找具有超高玻璃化形成能力的合金。有人认为非晶或玻璃的原子混乱度高或熵高，而高熵必然导致高的玻璃化形成能力，所以有人提出一个混乱理论。但是，后来有学者发现高熵和高的玻璃化形成能力并不一致，倒是发现有些高混合熵合金可以形成单相固溶体。对此，叶均蔚等认为这种固溶体是高混合熵稳定的固溶体，因此命名为高熵合金。至于为什么高混合熵合金玻璃化形成能力并不高，张勇等统计了大量的高混合熵合金，从原子尺寸差，混合焓和混合熵角度作了系统分析，并用Adam-Gibbs方程作出了解释1。已有的研究报道发现，高熵合金具有一些传统合金所无法比拟的优异性能，如高强度、高硬度、高耐磨耐腐蚀性、高热阻、高电阻等，从而成为在材料科学和凝聚态物理领域中继大块非晶之后一个新的研究热点。目前，高熵合金的研究多是集中在铸态下的性能测试，我们知道铸态下的产品有着天然的性能缺陷(如由于热胀冷缩造成的空洞、疏松等)，而对其热处理、热加工后的性能研究缺少有报道。有人曾预言，未来几十年内，最有发展潜力的三大研究热点是大块非晶、复合材料和高熵合金。1.2高熵合金的定义高熵合金一般可以被定义为由五个以上的元素组元按照等原子比或接近于等原子比合金化，其混合熵高于合金的熔化熵，一般形成高熵固溶体相的一类合金。多组元高熵合金是多种主要元素的合金，其中每种主要元素都具有较高的原子百分比，但每种元素的原子百分数不能超过35，也就是说这种合金是由多种元素集体起作用而表现出其特色。熵是热力学上代表混乱度的一个参数，混乱度越大，熵就越大。一个物质系统的熵，包括原子排列混合熵以及原子振动组态、电子组态、磁矩组态等所贡献的熵。2对于合金而言，高熵合金混合熵的计算以原子排列的混合熵为主。1.3高熵合金的组织特点根据Gibbs相律：F=C-P+1(F：自由度；C：组元数；P：相数)，在一个组元为C的合金系中，其最大平衡相数目P=c+1，在非平衡状态下，最大相数还会更大。传统合金的研究也认为，在多组元的合金系中更可能形成种类繁多的金属间化合物或者分别由各种基体元素之间相互形成的端际固溶体，使得合金结构极其复杂口。而对高熵合金的研究发现，多主元高熵合金凝固后不仅没有形成数目众多的金属间化合物，反而形成了简单的体心立方或面心立方相为主的结构，其相组成相当简单，所生成的相数远远小于吉布斯相律的预测值，这与传统合金的设计经验完全相反。之所以简单固溶体会优于金属间化合物先行析出，其中的奥妙就在于该合金系统固有的高混合熵特性。现有研究结果表明，高熵效应能有效抑制脆性金属间化合物的出现，促进合金中简单的体心立方或面心立方结构的形成2。由于相及微结构的可鉴定性及单纯性，这极大的便利了我们对这一新型合金的研究，故高熵合金如同传统合金一样，是一个可分析、可了解的合金领域。纳米析出甚至非晶化的现象是高熵合金的另一个重要的特色。合金微结构纳米化可使材料的力学、电化学及物理性能等许多性能得到增强。合金纳米化的倾向，主要原因与动力学理论有关。因为当高熵合金熔解时，所含元素混乱排列成为无序液体，凝固后，由于多元素的扩散及重分配，导致析出物的成核及长大延迟，从而有利于纳米相的形成。对于快速凝固或真空镀膜而言，由于原子大小差异会造成晶格扭曲，高熵合金更能展现纳米化，甚至非晶化的倾向。据报道，目前中国台湾清华大学正联合工研院材料所等单位开展高熵合金纳米化和非晶化的研究计划。1.4高熵合金的性能特点高熵合金和传统合金在性能上相比，最显著的特点就是高熵合金可以同时拥有极高的硬度、耐热性及耐蚀性。而据现在所知的任何一种传统合金都不能在熔铸后3集这三种性能为一体6,7。1.4.1高强度与硬度高熵合金具有较高的硬度和强度。研究发现，多数高熵合金的铸态组织硬度为600900HV，相当于或者大于碳钢及合金碳钢完全淬火硬化后的硬度；改变合金元素的含量，还可进一步提高合金的硬度。1.4.2良好的耐磨性高熵合金具有良好的耐磨性。研究AlxCoCrCuFeNi高熵合金的粘着磨损行为时发现，随着Al元素的增加，合金的硬度提高，磨损机制为氧化磨损，在合金表面形成的氧化膜有助于抵抗磨损。当铝的含量较低时(x=0.5)，合金由简单的面心立方（FCC）结构组成，x=1.0时，形成面心立方和体心立方(BCC)的混合结构；在磨损的表面，FCC区域有深的磨损凹槽，而BCC区域是光滑的，在光滑区域，虽然已经发生氧化磨损，但以层状磨损为主；当铝含量较高时(x=2.0)，合金的硬度提高，产生氧化磨损，氧化膜有助于抵抗磨损，故合金的抗磨损性能提高。1.4.3良好的塑性和韧性高熵合金具有良好的塑性和韧性，特别是当合金具有单一面心立方相时，具有非常好的塑性，合金塑性与合金中面心立方相的数量比成一定的正比关系。合金FeCoNiCrCuAl0.5经50%压缩率冷压（即冷压合金时的塑性变形量达到50%）后，非但没有出现任何裂纹，反而在枝晶内部出现了纳米结构，大小约数纳米到数十纳米，合金硬度得到进一步提升；AlCoCrFeNiTi1.5在32%以内的压缩率内冷压，也表现出非常好的延展性。在合金AlXCoCrCuFeNi的研究中，合金的晶粒尺寸越小，单位体4积内晶界面积增加越多，晶界面积的增加就使晶界滑动及其协调过程更加容易进行，晶界迁移、晶界滑移有助于塑性变形过程中的应力松弛、塑性提高。1.4.4耐热性研究发现，大部分高熵合金具有比组成元素更高的熔点，高温下具有极高的硬度和强度。由于高熵合金混乱度大，再加上在高温下混乱度变得更大，高熵合金无论是结晶态还是非晶态都会变得更加稳定，仍然存在固溶强化效应，可获得极高的高温强度。有研究表明高熵合金具有耐回火软化性能，在1000退火、24h炉冷到室温后，其硬度几乎没变化，甚至有析出硬化特性。Al0.3CoCrFeNiC0.1高熵合金在7001000时效处理72h后，合金硬度非但没有下降，反而有不同程度的提升。而传统合金如碳钢淬硬化后有明显的软化现象，耐高温的高速钢也会在550时发生软化8。1.4.5耐腐蚀性高熵合金有良好的耐腐蚀性能。例如AlFeCuCoNiCrTiX高熵合金在0.5mol/L的硫酸（H2SO4）溶液中的耐腐蚀性要优于304不锈钢，合金中的镍（Ni）、铬（Cr）使合金具有耐蚀性。铜（Cu）对提高合金的抗还原酸(H2SO4)能力也有很大贡献，Cu能促使钝化膜的生成，提高腐蚀电位，降低腐蚀电流密度，在H2SO4溶液中容易形成金属Cu、硫化亚铜（Cu2S）来阻挡或减少材料与溶液接触，提高合金的耐腐蚀性。Al0.3CrFe1.5MnNi合金研究发现，添加Cr、钼（Mo）元素可以增加合金的抗孔蚀能力。1.5涂层技术1.5.1热喷涂技术5利用热源将喷涂材料加热至溶化或半溶化状态，并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法分类：低压等离子喷涂、大气等离子喷涂、爆炸喷涂、高速氧焰喷涂、中温喷涂，冷喷涂等特点：沉积速率快，但表面粗糙，需要后续处理，适合较厚涂层1.5.2.物理气象沉积技术（PVD）方法：真空蒸镀，磁空溅射，电弧离子镀，激光辅助沉积，等离子辅助物理气相沉积，电子束物理气相沉积等特点：沉积速率慢，涂层质量好，适合一些精密的应用，如刀具模具，电子等行业1.5.3.化学气相沉积技术（CVD）方法：热丝CVD，微波增强CVD，有机化合物CVD等特点：绕射性好，可以生长一些高温下才能生长的薄膜，但沉积温度高1.5.4湿法沉积湿法沉积最典型的就电镀和化学镀。电镀是指在含有欲镀金属的盐类溶液中，以被镀金属的阳离子在基体金属表面沉积出来，形成镀层的一种表面加工方法，镀层性能不同于基体金属，具有新特征。根据镀层的功能，可将镀层分为防护性镀层，装饰性镀层及其他功能性镀层。镀层功能的多样性，使电镀在国民经济的各个生产领域得到越来越广泛的应用。而化学镀是指在没有外电流通过的情况下，利用化学方法使溶液中的金属离子还原为金属并沉积在基体表面，形成镀层的一种表面加工的方法3。被镀件浸入镀液中，化学还原剂在溶液中提供电子使金属还原沉积在镀件表面Mn+neM应用：在镜面上化学镀银是人们开发最早的化学镀方法。但通常的化学银很不稳定，因此常将银盐和还原剂分开配制，开始使用才混合。61.6高熵合金涂层的制备1.6.1真空电弧熔炼技术在水冷铜坩埚中利用焊枪的电弧进行熔炼，待合金充分混合后将合金块翻转，一般熔炼4-10次9。然后利用机械手把坩埚中熔炼完的合金块移至中间吸铸铜模处，进行吸铸11。这种方法的优点是设备简单，投资小，容易操作。其缺点是铸件冷速不均匀，部分区域出现较大晶粒，组织定向性结晶，成分比较难混合均匀。1.6.2机械合金化通过高能球磨使粉末经受反复的变形、冷焊、破碎，从而达到元素间原子水平合金化。一般利用机械合金化方法来制备纳米尺度合金粉体材料，或进而采用粉末冶金法制备块体材料。1.6.3磁控溅射技术利用氩气在电场的作用下电离，氩离子被电场加速轰击靶材溅射出大量的靶材原子，靶原子(或分子)沉积在基片上形成膜。磁控溅射的特点是成膜速率高基片温度低，膜的粘附性好，可实现大面积镀膜。应用磁控溅射方法已经成功制备了多主元高功能合金镀膜10。1.6.4热喷涂技术将喷涂材料送入某种热源中熔化，并利用高速气流将其喷射到基体表面形成涂层。其优点是基体材料不受限制；喷涂过程中基体材料升温小，不会产生应力和变形；涂层厚度可以从0.01mm至几毫米5。一般首先利用电弧熔炼炉炼制高熵合金母合金，然后将合金球磨成直径在m以下的颗粒，再通过热喷涂的方法在基体材料表面形成薄膜。71.6.5激光熔覆法高熵合金涂层的制备主要是利用预置式激光熔覆，事先将高熵合金置于基体材料表面的熔覆部位，然后采用激光束辐照使之熔化，快速凝固后形成表面涂层。这种方法具有快速加热和快速凝固的特点，所制备的涂层厚度可以达到毫米级。1.7高熵合金的应用高混合熵不但能够简化多元高熵合金的显微结构，而且还能使显微结构纳米化甚至非晶化，这种与传统合金迥异的显微结构使高熵合金拥有独特的机械性能、物理性能(光、电、磁、热)和化学性能，进而使得相比于趋于饱和的传统合金体系，高熵合金具有很大的应用潜力4。高熵合金的应用层面极其多样化，其应用范围包括：高硬度且耐磨耐温耐蚀耐氧化的工具、模具、刀具；利用喷涂、溅镀或铸造包套法制作各种构件的硬面，如高尔夫球头打击面、油压气压杆、钢管壁面及轧辊面等；高频变压器、马达的磁心、磁头、磁碟、高频软磁薄膜以及喇叭；化学工厂、油井及舰船的耐蚀高强度材料；超高大楼的耐火骨架、喷气式发动机涡轮叶片、热交换器及高温炉的耐高温材料；微机电材料等。1.8高熵合金的研究现状目前国内外学者对高熵合金的研究，主要集中在制备方法的研究，并且针对具体合金系，研究元素含量对合金组织、性能的影响。研究对象主要是在Al、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu和Zn等元素中选配的58元合金；所研究的性能主要是常规力学性能，如硬度、抗压强度、耐磨性、耐蚀性等12，其它性能研究相对较少，数据不多。微观机理方面的研究尚未真正展开，仅清华大学和北8京科技大学的学者做了少量探索。从研究成果来看，目前还是台湾清华大学的研究处于领先地位，已有多项发明专利。高熵合金的应用潜力巨大，应用领域广泛。但是，高熵合金的各项相关数据基本还处于试验室阶段，尚未真正进入应用领域，还未能实现产业化16。这一方面是因为该领域的相关研究刚刚起步，很多人对此类合金还不了解；另一方面是有关此类合金的数据非常少，数据重复性不够高。目前文献所报道的用于实验研究的高熵合金，无论采用哪种方法制备，试样都很小，一般只有几十克17,18。因此，排除仪器误差之外，配制合金时称量原材料的微小误差、制备过程中的少量原材料损耗、所用原材料的纯度不同，都可能导致实际所得合金成分偏离设计成分较远。高熵合金的组织、性能特点是由其高混合熵所决定的，等摩尔比合金的混合熵高于非等摩尔比合金的混合熵，且合金的组织与性能可能对某些元素较为敏感。因此，要使高熵合金的实验数据真正应用到实际生产领域13，还需提高配样精度，提高数据的重复再现性。对于实验数据显示性能优异、经济性良好的高熵合金，可以熔制大块试样，再检测相应的性能，获得真正可以用到实际生产的参考数据。国内仅有的几个已获批准的高熵合金相关的专利，是制备方法方面的，所获得的高熵合金同样存在试样较小的问题。1.9高熵合金的前景目前，传统合金体系的发展已趋饱和，突破传统合金的发展框架，提出新的合金设计思路成为材料科学家必须认真思考的重要问题，高熵合金正是在这样的趋势下应运而生的。高熵合金的概念最先由中国台湾清华大学的科学家在20世纪90年代中期提出并进行了研究，到目前为止已取得了许多让人感兴趣的研究成果14,15。最近剑桥大学的科学家也开始在多组元等原子比替代合金方面开展研究工作。现有研究表明高熵合金是一个可合成、可加工、可分析、可应用的合金世界。高熵合金可以采用传统的熔铸、锻造、粉末冶金、喷涂法及镀膜法来制成块体材料、涂层或薄膜等形式19，因此在传统合金工业的升级及高科技产业的发展方面极具发展潜9力。高熵合金是最近几十年来合金化理论的一大突破，是传统合金之外一个崭新的合金世界。高熵合金的研究具有前瞻性。作为一个崭新的合金体系，高熵合金的研究还是一块有待开发的沃土，人们对这一合金化过程的机理以及其中涉及到的诸多科学问题还没有很深入的认识20,21。实际上，有的一些高熵合金体系也只是通过所谓的鸡尾酒式的方法调配而成，还没有建立起科学选择合金元素的较为成熟的理论。这些，都有待于我们材料科学工作者进一步去发掘。2熔渗高熵合金试样的制备2.1配制高熵合金2.1.1配置八组元高熵合金在实验室中取出Al,Cr,Co,Fe,Ni,Mo,Ti,Si八种元素的单原子金属粉末，严格按照摩尔比例称重配置（摩尔比为Al:Cr:Co:Fe:Ni:Mo:Ti:Si=1:1:1:1:1:1:0.25:0.75）进行充分混合均匀，然后用振筛机进行充分搅拌均匀。102.1.2配置五组元高熵合金在实验室中取出Al,Cr,Co,Fe,Ni五种元素的单原子金属粉末，严格按照摩尔比例称重配置（摩尔比为Al:Cr:Co:Fe:Ni=1:1:1:1:1）进行充分混合均匀，然后用振筛机进行充分搅拌均匀。图2.1振筛机2.2配制粘结剂111）将块状松香打碎，充分碾磨成粉状。2）按照松香和松节油1:3的比例称重、量取。3）松香与松节油一起倒入烧瓶搅拌，直至里面不出现大块的黄色粘结物质。4）静置，使松节油变为乳浊液。2.3T12钢基体熔渗高熵合金试样的制备2.3.1制备光滑面基体熔渗高熵合金试样1）在实验室中取出三组T12钢基体，用砂纸分别打磨三组T12钢基体表面，使其表面光亮，然后将打磨好的基体放入煤油中进行清洗，吹干。2）将高熵合金粉末和粘结剂混合均匀成牙膏状，均匀地涂抹在基体材料表面。3）将制备好的T12钢基体熔渗高熵合金试样放入加热炉中加热（温度控制在100度），烘干8小时2.3.2制备粗糙面基体熔渗高熵合金试样1）在实验室中取出三组T12钢基体，用砂纸分别打磨三组T12钢基体表面，使其表面光亮。2）用戳刀和锯条将打磨好的光滑面进行无规则粗糙面加工，然后将表面粗糙的基体放入煤油中进行清洗，吹干。3）将高熵合金粉末和粘结剂混合均匀成牙膏状，均匀地涂抹在基体材料表面。4）将制备好的T12钢基体熔渗高熵合金试样放入加热炉中加热（温度控制在100度），烘干8小时2.4高熵合金试样制备使用仪器12大烧杯，玻璃棒，电子天平，胶头滴管，小烧瓶，目数180单位的粗砂纸，目数1000单位的细砂纸，烘干炉（图2.1）图2-2烘干箱133基体熔渗高熵合金工艺及组织研究3.1基体材料成分、组织、性能介绍3.1.1T12钢化学成分元素CSiMnSp含量1.151.240.350.400.0300.0353.1.2T12钢基体组织14图3.1T12钢基体组织3.1.3T12钢性能简介T12钢硬度高、耐磨性好，但是韧性低，可以用于制作不受冲击的，要求硬度高、耐磨性好的切削工具和测量工具，如刮刀、钻头、铰刀、扩孔钻、板牙和千分尺等。3.2热处理炉加热熔渗高熵合金工艺1）将制备好的五组元熔渗高熵合金试样用小型真空热处理炉加热至1300，保温1530分钟。2）将处理好试件从炉中取出，发现有许多失败试样。3）将成功的试样分类并打磨，直至表面“十分光亮”。4）将试件放置在抛光机的打磨抛光，直至表面没有划痕。5）用4%的硝酸乙醇反复擦拭试件表面，直至试件表面呈现淡16灰色（即不再光亮），表示腐蚀成功。6）将处理好的试件放在显微镜下观察。3.2.1T12钢热处理炉加热后与原基体图片对比图3.2T12钢基体图3.3T12钢基体（热处理炉加热）17分析：T12钢是过共析钢，原基体组织为珠光体+二次渗碳体，通过T12钢基体原组织(图3.2)和T12钢经过热处理炉加热后（图3.3）的基体组织对比，我们发现，T12钢基体经过热处理炉加热后，基体组织仍然是以珠光体和二次渗碳体为主，但在基体组织上分布有片状金属化合物，片状金属化合物的存在说明：（1）经过加热熔渗工艺后，在T12钢的表面有高熵合金熔入。（2）高熵合金熔渗层在基体表面分布不够均匀。造成高熵合金在基体表面熔渗层分布不均的原因有一下几点：（1）高熵合金的组元中Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti等都是高熔点组元，在此温度下的加热过程中原子的扩散能力较差，和基体的的结合能力较弱，所以熔渗层较薄。（2）高熵合金粉末混合的不够均匀，导致试样表面高熵合金涂层的分布也不均匀，影响了熔渗层分布的均匀性。3.2.2T8钢热处理炉加热后与原基体图片对比图3.4T8基体图3.5T8热处理炉加热分析：TT8钢的基体组织主要是层片状珠光体，是一层铁素体和一层渗碳体的混合物。通过T8钢基体原组织(图3.4)和T8钢表面经热处理炉熔渗高熵合金的组织（图3.5）对比，我们发现，T12钢基体经过表面熔渗高熵合金后，在试样表面分布有颗粒状金属化合物，颗粒状金属化合物的存在说明：（1）经过加热熔渗工艺后，在T8钢的表面有高熵合金熔入。（2）高熵合金熔渗层在基体表面分布不够均匀。183.3五组元感应加热熔渗效果3.3.1T12钢五组元感应加热熔渗图3.8T12钢基体图3.9T12钢基体(五组元感应加热）分析：T12钢是过共析钢，原基体组织为珠光体+二次渗碳体，通过T12钢基体原组织(图3.8)和T12钢经过感应加热后（图3.9）的基体组织对比，我们发现，T12钢基体经过感应加热后，基体组织发生了很大变化，基体组织上分布大量不连续金属化合物，这些金属化合物的存在说明：1）经过感应加热熔渗工艺后，在T12钢的表面有大量高熵合金熔入。（2）高熵合金熔渗层并没有完全覆盖原组织。193.3.2T8钢五组元感应加热熔渗图3.10T8钢基体图3.11T8钢基体（五组元感应加热）分析：T8钢的基体组织主要是层片状珠光体，是一种双相结构的组织，是一层铁素体和一层渗碳体的混合物。通过T8钢基体原组织(图3.10)和T12钢经过感应加热后（图3.11）的基体组织对比，我们发现，T12钢基体经过感应加热后，基体组织发生了大量变化，基体组织上分布大量不连续金属化合物，这些金属化合物的存在说明：1）经过感应加热熔渗工艺后，在T8钢的表面有大量高熵合金熔入。（2）高熵合金熔渗层并没有完全覆盖原组织。3.4对比T12钢基体，热处理炉加热，感应加热后20图3.12T12钢基体图3.13T12钢基体（热处理炉加热）图3.14T12感应加热分析：热处理和感应加热都可在T12材料表面获得一薄层高熵合金的渗层，热处理炉比感应加热获得的渗层中的金属化合物的颗粒总数要多，这与热处理炉加热温度高，金属原子更容易扩散有关，但热处理炉加热温度高，会改变基体的组织，使基体的力学性能下降，所以通过感应加热获得的高熵合金涂层的方法更合理。3.5基体熔渗高熵合金工艺研究使用仪器21研究基体熔渗高熵合金工艺时，还要使用两种重要仪器：金相抛光机和三目倒置金相显微镜。3.5.1金相抛光机在前面用砂纸打磨的基础上，为了使试样表面更加光亮，在显微镜下更好的观察，就必须进行抛光这道工序，金相抛光机就是必不可少。金相抛光机（如图3.16），顾名思义，就是把一些试样的表面的毛精糙部分，清理掉，以达到镜面效果。在使用抛光机之前，先按照绿碳化硅与水的比例为1:20来配置抛光液，放入大烧杯搅拌，直至成为悬浊液，以便在抛光时一边加水，一边加抛光液。为了是抛光效果更好，还需要在试样表面涂抹绿色抛光膏。抛光机抛光时，试样磨面与抛光盘应绝对平行并均匀地轻压在抛光盘上，注意防止试样飞出和因压力太大而产生新磨痕。在抛光时，还应使试样自转并沿转盘半径方向来回移动，以避免抛光织物局部磨损太快。在抛光过程中要不断添加抛光液不断加水，使抛光织物保持一定湿度。湿度太大会减弱抛光的磨痕作用，使试样中硬相呈现浮凸和钢中非金属夹杂物及铸铁中石墨相产生“曳尾”现象；湿度太小时，由于摩擦生热会使试样升温，润滑作用减小，磨面失去光泽，甚至出现黑斑，试件表面会出现发黄的现像。22图3.153.5.2三目倒置金相显微镜在实验过程中，试件往往会出现划痕，影响观察结果，为了得到更加准确，更加清晰的金相照片，需要不断重复抛光，打磨，腐蚀这三步程序，然后在普通显微镜下观察金相显微组织，直到清晰为止。最后，要拍下这些金相显微照片三目倒置金相显微镜就是必不可少的了。23图3.16我们所用的显微镜为三目倒置金相显微镜XJP-6A（如图3.17），做实验时物镜放大倍数都是40倍，目镜12.5倍，在视野中找到图像以后，将右方的拉杆拉开，前面装上单反相机进行拍摄，主要用到两个放大倍数，200倍跟280倍，这两个放大倍数拍出来的金相照片效果最好。三目倒置金相显微镜XJP-6A:用于鉴别和分析各种金属和合金材料的组合结构，广泛应用在工厂或实验室进行铸件质量的鉴定；原材料的检验或材料处理后的金相组织分析；以及对表面喷涂等一些表面现象进行研究工作。它是钢铁、有色金属材料、铸件、镀层的金相分析；地质学的岩相分析；以及工业领域对化合物、陶瓷等进行微观研究的有效手段，是金属学和材料学研究材料组织结构的必备仪器，也广泛应用于生物、医学和教学等领域。三目倒置金相显微镜XJP-6A特点：1.优良的光学系统设计确保视场宽阔、平坦、清晰。2.应用人机工程学设计理念，结构合理、可靠、操作十分方便、轻松。3.高衬度物镜能提高低反射面物体的衬度。4.双目观察可与摄影、摄像同步进行。5.偏振光学附件对金相组织、晶粉及夹杂物分析极为清晰244基体熔渗高熵合金力学性能研究4.1基体熔渗高熵合金力学性能研究使用仪器25为了进行基体熔渗高熵合金力学性能研究，力学性能试验也是必不可少的，所以，就要用到维式硬度计。图4.1维氏硬度计4.1.1维氏硬度计简介维氏硬度计的试验力比较多，只要工件表面的粗糙度符合标准，维氏硬度计都可以检测。维氏硬度计通过步进电机，对工件表面进行打压，之后再由读数显微镜测量压痕的对角线的长度。之后利用对角线及试验力的一个换算关系来测得维氏硬度。另外可以安装维氏硬度计测量软件，通过电脑显示屏来显示图像，操作测量硬度值更方便和快捷。264.1.2维氏硬度计用途维氏硬度试验主要用于材料研究和科学试验方面小负荷维氏硬度试验主要用于测试小型精密零件的硬度，表面硬化层硬度和有效硬化层深度，镀层的表面硬度，薄片材料和细线材的硬度，刀刃附近的硬度，牙科材料的硬度等，由于试验力很小，压痕也很小，试样外观和使用性能都可以不受影响。显微维氏硬氏试验主要用于金属学和金相学研究。用于测定金属组织中各组成相的硬度，用于研究难熔化合物脆性等。显微维氏硬度试验还用于极小或极薄零件的测试，零件厚度可薄至3m。广泛应用于测定微小、薄形试件、表面渗镀层等试件的显微硬度和测定玻璃、陶瓷、玛瑙、人造宝石等较脆而又硬的材料的努氏硬度，是科研机构、工厂及质监部门进行材料研究和检测的理想硬度测试仪器。适用范围：热处理、碳化、淬火硬化层，表面覆层，钢，有色金属和微小及薄形零件等。配备努氏压头后能测定玻璃、陶瓷、玛瑙、人造宝石等较脆而又硬材料的努氏硬度。4.1.3维氏硬度计原理维氏硬度计以49.03980.7N的负荷,将相对面夹角为136°的方锥形金刚石压入器压材料表面,保持规定时间后，用测量压痕对角线长度，再按公式来计算硬度的大小。它适用于较大工件和较深表面层的硬度测定。维氏硬度尚有小负荷维氏硬度，试验负荷1.949.03N，它适用于较薄工件、工具表面或镀层的硬度测定；显微维氏硬度，试验负荷1.961N，适用于金属箔、极薄表面层的硬度测定。试验力除以压痕表面积的商就是维氏硬度值。维氏硬度值计算公式：HV=常数×试验力/压痕表面积0.1891F/d2式中：HV维氏硬度符号；F试验力（单位N）；d压痕两对角线d1、d2的算术平均值（单位mm）。实用中是根据对角线长度d通过查表可得到维氏硬度值。国家标准规定维氏硬度压痕对角线长度范围为0.0201.400mm。4.1.4维氏硬度计工作环境271）在室温1035的范围内;2）在稳固的基础上水平安装;3）在无震动的环境中;4）周围无腐蚀性介质;5）室内相对湿度不大于65%.4.2维氏硬度的表示方法维氏硬度计表示为HV，维氏硬度符号HV前面的数值为硬度值，后面为试验力值。常见的有HV5,HV10，HV20，HV30，HV50和HV100标准的试验保持时间为1015S。但对于有色金属则不能小于30秒，如果选用的时间超出这一范围，在力值后面还要注上保持时间。例如：300HV30表示采用294.2N（30kg）的试验力，保持时间1015S时得到的硬度值为300。450HV30/25表示采用294.2N（30kg）的试验力，保持时间25S时得到的硬度值为450。4.3维氏硬度试验注意事项1）试样表面必须光滑平整。2）转动镜头和压头时避免碰撞试样和夹具。3）测量时不要在工作台施加力，以免影响测量结果。4）注意在加荷、保荷、卸荷期间，千万不要扳动手柄，以免损坏主轴系统。5）不定期对压头实施清洁，可用脱脂棉或擦镜纸沾上酒精小心擦拭，保持压头干净。6）保证相邻压痕间的最小距离在4倍对角线长度，样品边缘的最小距离在2.528倍对角线长度。7）保持工作台洁净，未使用时喷注防锈油，以免生锈影响测试精度，升降轴随时保持润滑状态。4.4感应加热力学性能4.4.1T12钢感应加热（1）下面是T12钢基体材料的维氏硬度试验结果：测试零件名称(Nameofthehardwareinthetest):测试零件名称测试时间(Testtime):2014-06-0417:08:00试样号(SampleNo.):仪器号(InsturmentNo.):MICRO-586试验力(TestForce):200力保持时间(Durationofforce):10试验次数(TestTimes):3显微镜倍率(MicroscopeMagnification):40压头钢球直径(Presssteelballdiameter):2.5试验值(TestValue):第1次(1times):d1=32.117d2=31.411HV=392.58HB=384.58第2次(2times):d1=29.999d2=31.235HV=420.64HB=410.64第3次(3times):d1=30.882d2=31.588HV=405.14HB=396.12平均值(AverageVlaue):406.12极差(Range):28.06最大值(Max.Vlaue):420.64分散度(Disperse):6.91%最小值(Min.Vlaue):392.5829（2）下面是T12钢基体经五组元感应加热后的维氏硬度试验结果：测试零件名称(Nameofthehardwareinthetest):测试零件名称测试时间(Testtime):2014-05-2815:36:42试样号(SampleNo.):仪器号(InsturmentNo.):MICRO-586试验力(TestForce):200力保持时间(Durationofforce):10试验次数(TestTimes):3显微镜倍率(MicroscopeMagnification):40压头钢球直径(Presssteelballdiameter):2.5试验值(TestValue):第1次(1times):d1=27.529d2=28.764HV=493.14HB=474.12第2次(2times):d1=32.117d2=31.235HV=394.63HB=386.63第3次(3times):d1=31.941d2=35.470HV=351.46HB=344.57平均值(AverageVlaue):413.08极差(Range):141.68最大值(Max.Vlaue):493.14分散度(Disperse):34.30%最小值(Min.Vlaue):351.46(3)两者比较：平均值最大值最小值极差分散度T12钢基体406.12420.64392.5828.066.91T12钢基体五组元感应加热413.08493.14351.46141.6834.3030分析：比较T12钢基体和感应加热后的硬度值，发现感应加热后的硬度比基体的硬度值高，说明五组元高熵合金熔渗在T12基体表面后能够改变T12钢的力学性能，增大T12钢的维氏硬度。而感应加热后维氏硬度分散度较高，最小值低于基体硬度，出现这种结果的原因是：T12钢表面熔渗的高熵合金较少且其分部不够均匀，打硬度时，压头打在了基体材料上，而基体经过高温加热后组织粗大，硬度比原始组织偏低。4.4.2T8钢感应加热（1）下面是T8钢基体材料的维氏硬度试验结果：测试零件名称(Nameofthehardwareinthetest):测试零件名称测试时间(Testtime):2014-06-0416:44:34试样号(SampleNo.):仪器号(InsturmentNo.):MICRO-586试验力(TestForce):200力保持时间(Durationofforce):10试验次数(TestTimes):3显微镜倍率(MicroscopeMagnification):40压头钢球直径(Presssteelballdiameter):2.5试验值(TestValue):第1次(1times):d1=39.882d2=39.882HV=258.17HB=254.17第2次(2times):d1=43.058d2=39.705HV=241.58HB=238.5831第3次(3times):d1=37.764d2=35.647HV=300.27HB=294.27平均值(AverageVlaue):266.67极差(Range):58.69最大值(Max.Vlaue):300.27分散度(Disperse):22.01%最小值(Min.Vlaue):241.58（2）下面是T8钢基体五组元感应加热后的维氏硬度试验结果：测试零件名称(Nameofthehardwareinthetest):测试零件名称测试时间(Testtime):2014-05-2817:11:07试样号(SampleNo.):仪器号(InsturmentNo.):MICRO-586试验力(TestForce):200力保持时间(Durationofforce):10试验次数(TestTimes):3显微镜倍率(MicroscopeMagnification):40压头钢球直径(Presssteelballdiameter):2.5试验值(TestValue):第1次(1times):d1=43.411d2=41.647HV=230.05HB=228.05第2次(2times):d1=34.764d2=34.941HV=330.32HB=324.32第3次(3times):d1=38.999d2=38.999HV=268.85HB=263.85平均值(AverageVlaue):276.41极差(Range):100.27最大值(Max.Vlaue):330.32分散度(Disperse):36.28%最小值(Min.Vlaue):230.05（3）两者比较32平均值最大值最小值极差分散度T8钢基体266.67300.27241.5858.6922.01T8钢基体五组元感应加热276.41330.32230.05100.2736.28分析：比较T8钢基体和感应加热后的硬度值，发现感应加热后的硬度比基体的硬度值高，说明五组元高熵合金熔渗在T8基体表面后能够改变T8钢的力学性能，增大T8钢的维氏硬度。而感应加热后维氏硬度分散度较高，最小值低于基体硬度，出现这种结果的原因是：T8钢表面熔渗的高熵合金较少且其分部不够均匀，打硬度时，压头打在了基体材料上，而基体经过高温加热后组织粗大，硬度比原始组织偏低。4.4.3T8钢感应加热和T12钢感应加热对比平均值最大值最小值极差分散度（原分散度）T12钢基体五组元感应加热413.08493.14351.46141.6834.30（6.91）T8钢基体五组元感应加热276.41330.32230.05100.2736.28（22.01）分析：比较T8钢感应加热和T12钢感应加热后硬度参数比较，发现T12钢感应加热后硬度极差比T8钢大，说明T12钢表明的高熵合金熔渗层具有高的硬度，而且渗层的分布相对均匀。3334结论（1）通过多次试验得到了高熵合金涂层材料的最佳配制工艺：松香和松节油按1：3配制成过饱和溶液高熵合金八组元和五组元分别按摩尔比Al:Cr:Co:Fe:Ni:Mo:Ti:Si=1:1:1:1:1:1:0.25:0.75），（Al:Cr:Co:Fe:Ni=1:1