T8钢基体表面熔渗高熵合金组织及性能研究

T8钢基体表面熔渗高熵合金组织及性能研究摘要:1995年，叶均蔚提出了一种新的合金设计理念要要多主元高熵合金(或称多元高混乱度合金)。作为一种新型的合金材料，高熵合金表现出许多优良的特性，其中极高的硬度、强度、良好的热稳定性和耐腐蚀性以及良好的塑韧性等是其显著特点。多主元高熵合金表现出与传统合金不同的特性，而且通过不同的元素搭配可获得种类繁多的新型合金，因此具有丰富的应用潜能和广阔的应用前景。本文研究了T8钢基体表面熔渗高熵合金组织及性能。高熵合金采用AI、Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti、Si八组元高熵合金与Al、Cr、Co、Fe、Ni五组元高熵合金，通过感应加热与热处理炉加热的方法来使高熵合金涂层熔渗进各种基体表面，经分析比较得到了最佳的熔渗工艺。同时观察了高熵合金涂层的显微组织，测试了涂层材料的硬度、耐磨性等力学性能。关键词：感应加热，熔渗，高熵合金，涂层，高硬度IT8steelsubstratesurfacealuminizedhighentropyalloysandperformanceresearchAbstract：In1995,YeJunyuputforwardanewconceptofalloydesigntomultiprincipalelementhighentropyalloy(ormultiplehighdegreeofconfusionalloy).Asakindofmaterialalloy,highentropyalloyexhibitsmanyexcellentproperties,thethermalstabilityofhighhardness,strength,andgoodcorrosionresistanceandgoodductilityandtoughnessisitsremarkablecharacteristic.Multiprincipalelementhighentropyalloysshoweddifferentcharacteristicsfromtraditionalalloy,butwithdifferentkindsofnewalloyscanbeobtainedthroughdifferentelements,soithaspotentialapplicationinrichandbroadapplicationprospects.ThispaperstudiedtheT8steelmatrixsurfacemeltinfiltrationstructureandpropertiesofhighentropyalloys.HighentropyalloybyusingfivegroupsofAI,Cr,Co,Fe,Ni,Mo,Ti,SieightelementhighentropyalloyswithAl,Cr,Co,Fe,Nihighentropyalloy,byinductionheatingandheattreatmentfurnaceheatedtohighentropyalloycoatingispenetratedintothevarioussubstratesurface,theanalysisandcomparisonofthebestinfiltrationprocess.Atthesametime,observedthemicrostructureofhighentropyalloycoating,hardness,wearresistanceandmechanicalpropertiesofthecoatingmaterialtest.Keywords:Inductionheating,Meltinfiltration,Highentropyalloys,coating,HighhardnessII目录1前言.11.1高熵合金的概念.11.1.1高熵合金概念的提出.11.1.2高熵合金的定义.21.1.3高熵合金的应用前景.41.2高熵合金的性能特点.51.3高熵合金的组织结构.81.3.1相结构.81.3.2纳米化与非晶化.91.3.3鸡尾酒效应.101.4高熵合金的制备方法.101.4.1电弧熔炼法.101.4.2高频感应炉加热熔炼.111.4.3磁控溅射技术.121.4.4机械合金化技术.121.4.5热喷涂技术.121.4.6其他熔炼方法.121.5高熵合金的国内外研究现状.131.6涂层的介绍.161.7高熵合金涂层.162熔渗高熵合金试样的制备.182.1高熵合金的配置.182.2粘结剂的配置.182.3熔渗高熵合金试样的制备.193T8钢基体熔渗高熵合金工艺研究.213.1T8钢材料介绍.213.1.1T8钢材料的成分.213.1.2T8钢材料的组织.21III3.1.3T8钢材料的性能.213.1.4T8钢材料的用途介绍.223.2热处理炉加热熔渗高熵合金工艺.233.3感应加热熔渗高熵合金工艺.244T8钢基体熔渗高熵合金组织及性能研究.264.1T8钢基体的组织及性能.264.1.1T8钢基体的组织.264.1.2T8钢基体的硬度测量.284.2感应加热熔渗高熵合金的组织及性能.304.2.1熔渗八组元高熵合金的组织及性能.304.2.2熔渗五组元高熵合金的组织及性能.324.3炉加热熔渗高熵合金的组织及性能.33结论.36参考文献.37致谢.3901前言1.1高熵合金的概念1.1.1高熵合金概念的提出20世纪70年代人们把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱。80年代，以高技术群为代表的新技术革命，又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。这主要是因为材料与国民经济建设、国防建设和人民生活密切相关。材料是人类赖以生存和发展的物质基础。合金是各种材料中最常见的，传统合金系统约有30种，其在特性上已经达到相当高的境界，但在许多方面仍然无法满足设计的需求，所以近年来，有更多的努力欲寻求突破，开发出了一些新的材料。如介金属材料、金属基复合材料、金属玻璃和无铅焊锡等1。对于传统的合金，合金材料几乎都是以一种金属元素为主,添加不同的合金元素获得具有某些特殊性能的合金,例如以铁为主元的钢铁材料、以镁为主元的镁合金、以铝为主元的铝合金等。添加合金元素可以增强合金的性能,如使韧性与强度提高，增强耐蚀性、耐磨性等,但是添加过多的合金元素种类会导致很多脆性金属间化合物的出现,恶化合金的机械性能;同时过多的化合物不利于合金组织的研究,分析比较困难。所以,一直以来人们开发新型合金和改善合金都是基于以1种合金为主元一般超过50%)的观念,通过添加少量合金元素和改善工艺的方法,以获得良好的组织和性能的合金。1995年,叶均蔚提出了一种新的合金设计理念称为多主元高熵合金(或称多元高混乱度合金),该合金一般由5种以上13种以下的主要元素组成,且每种元素的原子百分比大于5%,但也不超过35%。高熵合金具有许多不同于传统合金的组织结构以及性能特点，具有很大潜在价值。高熵合金在由中国台湾清华大学的科学家叶均蔚在1995年提出并进行了研究后，直到2004年才有研究成果出现。太原工业学院毕业设计11.1.2高熵合金的定义“多主元高熵合金”就是组成合金的主要元素多、混合熵高、由多种元素集体相互作用而表现其特色的合金。根据传统物理冶炼方法和对二元、三元相图的考虑，将多种组元按照等原子比或者接近等原子的方法混合熔炼，使多组元元素形成固溶体，每种元素都可以认为是溶质原子，并得到许多金属间结构相，这就是所谓的多主元高熵合金。其中每种主要元素皆具有高的原子百分比,定义高熵合金的主要元素数目一般多于5种，不超过13种,但其原子百分比皆不超过35%，其中没有一种元素能占50%以上的，而每个次要元素均小于等于5。因此高熵合金与传统合金不同,传统合金含有1种原子百分比大于50%的主要元素，而高熵合金中所有主要元素的原子百分比含量基本相当,它们共同发挥作用。（1）固溶体混合熵的定义在热力学上，熵(entropy)是代表一个物质系统的混乱度的参数，如果混乱度越大，熵就越大。一个物质系统中的原子振动组态、电子组态、磁矩组态、原子排列组态等都会影响系统的熵值，其中原子排列组态的影响最大，如果忽略其它组态对熵值的影响，则系统的熵以原子排列的混合熵为主2。混合熵也称组态熵，组态熵随着合金中组元的组合方式的不同而不同，其反映合金中组元的组合方式，例如二元固溶体、空位固溶体与有序固溶体等组元组合方式不同，其组态熵也不同。熵(S)是热力学几率，组态熵S=KlnW。计算热力学几率，实际上是一个计算组合的问题，下面以二元置换固溶体为例进行计算。设固溶体晶格中一共有N个结点，被A和B两类原子完全占据，一个结点上只能容纳一个原子，这两类原子的数目分别是NA和NB，现在计算这两类原子填充到结点上的组态数目。NA个结点被A类原子充填后，余下的NB个结点由B原子占据，此时只有一种组合，所以求两类原子的填充组合实际上是求NA个原子占据N个结点的组合数，即（1.1）一般N很大，例如1摩尔原子的晶体中，N就是阿夫加德罗常数6.02251023，所以计算阶乘时可以采用斯特林(Stirling)近似公式，即lnN!=NInN-N（1.2）!BAWC太原工业学院毕业设计2故组态熵为（1.3）如果用摩尔分数表示成分，则上式为（1.4）式中，Nk=R=8314Jmol-1K-1，即气体常数；cB摩尔分数，cB=NB/N。cB与（1-cB）都是小于1的正数，故它们的对数都是负的，所以组态熵Sm为正值。进一步推广，当固溶体由几种原子组成时，其组念熵Sm(或混合熵Smix)为Smix=-R(c1lnc1+c2lnc2+cnlncn)（1.5）当c1=c2=cn，会得到很高的混合熵。（2）高熵合金的界定如果合金的组元都是等摩尔比例，则根据式(1.5)，合金的混合熵随着合金主元的个数的变化而变化的趋势如图1.1，可见，随着合金元素个数的增加，合金的混合熵增加。台湾学者发现当合金的主元个数n5时，合金生成固溶体，不易出现金属间化合物，认为合金的混合熵起着很大的作用，所以用混合熵来划分合金世界。根据式(1.5)，若合金组元都是等摩尔比，则每摩尔的合金的混合熵S=Rlnn，n为主元个数，所以二、五主元合金的混合熵分别是：0.693R、1.61R，只有一个主元的合金的混合熵应该小于0693R，而五主元以上的合金的混合熵大于161R3。以0.693R和1.61R为界线，可以把全部合金分为三大类，即低熵合金、中熵合金与高熵合金，以1个元素为主的合金为低熵合金，24个元素为主的合金为中熵合金，5个主元以上(包含5个)的合金为高熵合金，见图1.2。图1.1合金的混合熵随合金主元个数的变化而变化趋势图lnln!lnBBBBAmNNkNkS)1l()1(lBBBmccck太原工业学院毕业设计3图1.2.以熵划分的合金示意图1.1.3高熵合金的应用前景（1）高速切削用刀具高熵合金具有较高的硬度和耐磨性。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的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。而且高熵合金还通常表现出很高的耐热性，例如，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。普通高速钢，如W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2的有效切削加工温度在600以内，温度再高，刀具会明显钝化。此外，高速钢刃具在获得高硬度、高耐磨性的同时，牺牲了钢材的塑性及韧性，使刀具常常出现折断、崩刃等失效形式。而高熵合金在获得高硬度的同时，具有较好的塑性、韧性。例如，FeCoNiCrCuAl0.5经50压下率冷压(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以内的压下率内冷压，也表现出非常好的延展性。这么大比例的压下率，对于高速钢来说是不可想象的。故而高熵太原工业学院毕业设计4合金应用于高速切削刀具的制造具有明显的优势。此外，磁控溅射法制备高熵合金镀膜的成功，可以在普通钢制刀具表面镀上一层高熵合金薄膜，镀膜厚度在25um以内。这样一来，既可以获得良好的切削加工性能，又能节约成本。（2）各类工具钢和模具钢高熵合金具有高硬度、高耐磨性、高强度及优良的耐高温性能、耐蚀性，使之非常适合制备各类工、模具，尤其是挤压模和塑料模。例如A1CoCrFeNiTi1.5的抗压强度高达2.22GPa，含有Cr或Al的高熵合金具有高达1100的优异抗氧化性能。普通模具钢则无法兼顾耐磨性、耐蚀性、耐高温性及良好的塑性。（3）高尔夫球头高硬度、高耐磨性和较低的弹性模量，使高熵合金非常适合制作高尔夫球头打击面。高熵合金制成的高尔夫球头，可以在保证球头打击面具有较长使用寿命的同时，将球击打得更远，从而提升产品档次，增加产品附加值。（4）涡轮叶片高熵合金良好的塑性使其易于制成涡轮叶片，而其优良的耐蚀性、耐磨性、高加工硬化率及耐高温性能，可保证涡轮叶片长期、稳定地工作，提高服役安全性，减少叶片的磨损、腐蚀失效。（5）电子器件、通讯领域高熵合金具有软磁性及高电阻率，因而在高频通讯器件中有很大的应用潜力。可用以制作高频变压器、马达的磁芯、磁屏蔽、磁头、磁碟、磁光盘、高频软磁薄膜以及喇叭等4。研究发现,综合上述得出高熵合金容易获得热稳定性高的固溶相和纳米结构,甚至非晶结构,不同的合金显示不同的特性,其表现优于传统合金。这是创新的合金,是一个可合成、可加工、可分析、可应用的新合金世界,具有学术研究意义和很大的工业发展潜力。1.2高熵合金的性能特点鉴于高熵合金拥有特殊的理论依据和设计理念，因此高熵合金与传统合金相比也拥有与众不同的特点，下面进行总结：太原工业学院毕业设计5（1）高熵合金倾向于形成简单相结构的BCC或FCC固溶体。根据吉布斯自由能公式所示：mixmixmixSTHG（1.6）式中T为热力学温度，Hmix为混合焓，Smix为混合熵，Gmix为吉布斯自由能。由公式很容易看出混合焓和混合熵之间的关系是相互对立、相互制约的，合金自由能便是它们结合的产物。简单BCC和FCC结构固溶体的形成需要较低的自由能，而高熵合金的混合熵很高，这就使得合金的自由能极低，合金最终倾向于形成简单固溶体相。传统合金研究认为，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是各种基体元素之间相互作用形成的端际固溶体，使合金结构极其复杂。而组成多主元高熵合金的各种元素凝固后，相互固溶形成单一结构，形成简单的体心立方或面心立方相甚至非晶质，或附带晶间化合物相。高熵有利于形成固溶体，是因为一方面化合物原子排列的有序度比固溶体高，另一方面高熵可能减小电负性差，抑制化合物形成，促进元素间的混合，形成简单的体心立方(BCC)或面心立方(FCC)结构。如果合金系统的混合熵效应减弱，就会在形成的BCC相内析出金属间化合物。目前研究显示，在没有主元素的情况下，各种元素会互相固溶成单一结构，正是这种固溶结构赋予了多主元高熵合金无可比拟的优良特性。（2）高熵合金仅在铸态或是完全回火态下就会析出纳米晶颗粒。这是因为高熵合金在熔炼时，各元素熔化后的原子混乱排列，凝固时这些原子很难进行扩散和再分配，这就有利于在合金基体内部形成纳米晶颗粒。在铸态和完全回火状态析出纳米相结构甚至非晶质结构是多主元高熵合金的重要特点。多主元高熵合金熔化时，所含元素混乱排列成为液体，凝固为固相后，因涉及多元素的扩散和再分配，就会阻碍析出物的形核及生长，有利于纳米相的形成，微结构纳米化可增强多主元高熵合金的多项力学、电化学及物理性能。（3）高熵合金拥有极大的混乱度，特别是在高温下，其混乱度将会变得更大。根据合金自由能越低，则合金系统越趋于稳定的原则，高熵合金在高温下的稳定性依然极高，固溶强化依然存在，因此合金拥有极高的高温强度。研究表明，高熵合金在1000的高温下进行长时间(约12小时)的热处理后，硬度不降反升，与传统合金形成了鲜明的对比，如下表1.1所示。表1.1高熵合金与传统合金回火比较太原工业学院毕业设计6AlloysHardness(HV)as-castHardness(HV)annealedCuTiVFeNiZr590600AlTiVFeNiZr800790MoTiVFeNiZrCo740760CuTiVFeNiZrCo630620AlTiVFeNiZrCo790800MoTiVFeNiZrCo790790CuTiVFeNiZrCoCr680680AlTiVFeNiZrCoCr780890MoTiVFeNiZrCoCr850850316StainlessSteel18915517-1PHstainlessSteel410362HasetlloyC236280Stellite6413494Ti-6Al-4V412341（4）高熵合金以简单BCC和FCC结构固溶体存在时，由于组成元素之间在原子半径、晶体结构等方面存在差异，高熵合金的固溶强化会产生强效，导致位错在合金内部难以进行，因此合金硬度和强度都较高：而当高熵合金以非晶结构存在时，更是不存在位错，因此合金性能更强。（5）高熵合金的主要组成元素至少5种以上，合金的晶格扭曲情况十分严重，因此合金的物理、化学性能以及机械性能也将会产生极大的变化。结晶相合金会发挥固溶强化效应，致使位错运动困难（因原子固溶对位错移动起到阻挡作用），故其强度和硬度都很高；非晶态合金无位错运动存在，致使滑动变形更困难，强度更高。多主元高熵合金的高混乱度使其无论是结晶态还是非晶态都会变得更加稳定，存在固溶强化效应，可获得极高的高温强度；组成元素不同，多主元高熵合金铸态组织硬度的变化为600900HV（高熵合金AlNiCrFeTi的硬度在800900HV之间），相当于碳钢及合金碳钢的完全淬火的硬度甚至更高。大部分多主元高熵合金具有耐回火软化特性，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5。传统合金如碳钢淬硬化后再回火会有明显的软化现象，耐高温的高速钢也太原工业学院毕业设计7会在高于550温度时发生软化。多主元高熵合金中某些元素易形成致密氧化膜，并且合金具有非晶、微晶、单相、低自由焓等特性，这些都有助于多主元高熵合金产生极佳的耐腐蚀性；尤其是含有Cu、Ti、Cr、Ni或Co的多主元高熵合金与不锈钢一样，在高浓度硫酸、盐酸、硝酸中不发生腐蚀现象；没有一种传统的已知合金能在熔铸后同时具备这些特性(高硬度、耐热和耐蚀)。（6）高熵合金中总有一些元素，如Al元素，会使合金产生致密氧化物，具有高达1100的优异抗氧化性能，而高熵合金通常都具有纳米晶、非晶、单相、低自由焓的特性，因此高熵合金的耐腐蚀性能比传统合金更为优秀。1.3高熵合金的组织结构1.3.1相结构按照传统合金理论，当一种合金中含有多种主要元素时会导致很多脆性金属间化合物的出现恶化合金的机械性能。然而发现多主元高熵合金不仅不会形成数目众多的金属间化合物，反而会形成简单的体心立方或面心立方相。这是因为高的混合熵在高熵合金形成简单显微结构中起到关键作用，根据方程式：Gmax=Hmax-TSmax，混合熵和混合焓在形成自由能上起着相互制约的作用，高熵合金具有很高混合熵，这样使合金系的自由能很低，从而合金形成简单的体心立方或面心立方固溶体。高熵合金的显微结构简化,不倾向于出现金属间化合物。根据经典的Gibbs相率,n种元素的合金系统的平衡相的数目p=n+l,在非平衡凝固时形成的相数pn十1。按照传统合金的特点,人们都认为多种主元素合金将产生多种金属间化合物,恶化合金的机械性能。然而研究发现多主元高熵合金显微组织中形成简单的体心立方或面心立方相或非晶质,不倾向于形成脆性的金属间化合物,所得相数p远远小于(n+1)。他们把其原因归结为高熵效应,高熵是多主元合金的特色,因二元、三元、四元、五元、六元合金的混合熵S分别为5.8J/(molK)、9.2J/(molK)、11.6J/(molK)、13.4J/(molK)、15.0J/(molK),高熵合金的混合熵高于传统合金熔化时的(711)/(molK)。根据Gibbs自由能表达式：Gm=Hm-TSm,Hm、Sm分别是固溶太原工业学院毕业设计8体的形成热焓和形成熵,T为温度。高熵合金的相变与显微结构的变化温度在5001500之间,所以当T为500、1000、1500时,对应的TSm为11.5kJ/mol、18.9kJ/mol、26.4kJ/mol,其值大于Hm,故G0,元素能够有效地混合形成合金;当系统的混合熵大于形成金属间化合物的熵变,就会抑制脆性金属间化合物的出现,促进元素间混合形成简单的体心立方(BCC)或面心立方(FCC)结构;如果合金系统的混合熵效应减弱,也会在形成BCC相内析出金属间化合物。图1.3是等摩尔合金的XRD分析结果,从图中可以看出,随着元素数目的增加,衍射峰趋于简单,当组元为七元时,合金结构是简单的fcc十bcc结构,且衍射峰强度减弱,研究者认为这是由于多种不同原子半径导致的晶格畸变所致。图1.3是等摩尔合金的XRD分析结果1.3.2纳米化与非晶化高熵合金不仅会形成简单结构，还会形成纳米相以及非晶相，这与高熵合金形成的动力学因素有很大的关系。组成高熵合金的元素之间具有较大的负的混合焓，太原工业学院毕业设计9因此元素之间具有较强的吸引力，原子之间结合更紧密6。此外，原子之间具有较大的混合熵，使原子间排列的混乱度更高，原子更不易结晶重排。高熵合金中纳米晶和非晶是原子扩散和重排被抑制的结果。高熵合金熔化时，元素混乱排列成为液体，凝固为固相后，由于多元素的扩散及再分配，晶体的形核率及生长速度降低，有利于纳米相的形成。合金中的有序相和纳米相混乱排列，形成一种网状共晶结构，加强了弥散强化作用。此外，合金在凝固过程中，各元素存在的原子大小差异将会造成晶格扭曲，使原子无法有序排列，会有纳米化甚至非晶化的倾向。1.3.3鸡尾酒效应鸡尾酒的英文名称是Cocktail，是一种以蒸馏酒为酒基，再配以果汁、汽水、矿泉水、利口酒等辅助酒水，水果、奶油、冰淋、果冻、布丁及其他装饰材料调制而成的色、香、味、形俱佳的艺术酒品。它兼具了酒与果汁的长处，而淘汰了自身的缺点。勾兑出效应，融合成优势这被人们称之为“鸡尾酒效应”。对于高熵合金出现的各种优良的结构与性能，S.Ranganathan称之为“MultimetallicCocktails”，也就是说这种新型的合金也有“鸡尾酒效应”，因为合金包含有多种元素，各种元素之间相互作用，兼具了各种元素的基本特性，又淘汰了各自的缺点，呈现出一种复合效应。可以通过添加或改变某些元素的含量，改善合金的微结构，加强其在合金中的特性，在不损害合金的性能的基础上提升合金的某些性能。例如添加B元素可以提高合金的耐磨性与高温压缩性能；Co、Cu、Ni元素促进FCC结构的生成，而Al、Cr促进BCC结构的生成，影响合金的强度。1.4高熵合金的制备方法1.4.1电弧熔炼法真空电弧如图1.4所示，由炉体、电源、真空系统、电控系统、光学系统和水冷系统组成。炉体部分由炉壳、电极、结晶器及电极升降装置构成。工作时，在电极太原工业学院毕业设计10(负极)和水冷铜结晶器(正极)形成的两极之间，建立低电压(2040V)大电流(若干kA)，产生电弧放电，靠电弧释放出的热量来熔化金属。电炉一般是直流供电，一根电极。按照熔炼过程中电极是否消耗(熔化)，分成非自耗电极电弧炉熔炼和自耗电极电弧炉熔炼两种。非自耗电弧炉，电极用钨等高熔点材料制成，电弧熔炼时电极本身并不熔化，是永久性的。自耗电极电弧炉的电极采用被熔炼材料制成，如熔炼钛时电极通常用海绵钛压制而成，在熔炼过程中电极本身被熔化。电极升降装置随着电极的不断消耗使电极稳定下降，以保持两极的距离和电弧的稳定7。真空自耗电弧炉熔炼一般是在1.21.310-1Pa的炉内压力下进行。电弧温度可高达5000K。电极熔化的液滴通过弧区时，便会产生强烈的挥发、分解、化合等脱气、去除杂质的净化作用，然后滴入水冷铜结晶器中凝固成铸锭。真空电弧熔炼不使用耐火材料，熔炼高熔点难熔金属钨、钼、钽、铌和活性很高的钛和锆时可不受耐火材料的污染。炉料边熔化边凝固可消除缩孔、中心疏松和偏析等常见铸锭缺陷，使加工性能优良。图1.4真空电弧炉1.4.2高频感应炉加热熔炼太原工业学院毕业设计11熔炼中要加入适量的净化剂，用于净化除去金属液中氧化渣并对金属液起保护作用，防止金属在熔炼过程中过多的氧化。在浇注前应将金属液静止一段时间，以利杂质的浮起和金属液成分的均匀，最后将净化剂捞出，以防止在金属液浇注过程中氧化渣难以浮起，凝固于合金中，影响金属合金的性能。为了减少熔炼工程的金属元素的氧化量，各种成分元素的添加应具有一定的顺序，例如容易烧损金属铝，应待其他金属熔化后再加入到熔炼坩埚中。1.4.3磁控溅射技术高熵合金薄膜多采用磁控溅射技术制备。其工作原理：电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子。电子飞向基片。氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子(或分子)沉积在基片上成膜。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。应用磁控溅射方法成功制备了多主元高功能合金镀膜，近期印度应用机械合金化法制备了AlFeNiCrZnCu高熵合金。1.4.4机械合金化技术机械合金化是一个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的复杂物理化学过程。在高熵合金的研究中，一般利用机械合金化方法来制备纳米尺度合金分体材料，或进而采用粉末冶金法制备块体材料。这是一种非平衡态粉末固态合金化方法，其特点突出表现在材料制备过程中的非平衡性和强制性。1.4.5热喷涂技术山东科技大学采用热喷涂方法制备多主元高熵合金涂层。热喷涂技术是一种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，进而形成涂层的工艺。利用热喷涂技术将高熵合金材料涂覆在基板上，将改善其耐磨性，耐腐蚀太原工业学院毕业设计12性。1.4.6其他熔炼方法此外高熵合金还可以用真空熔体快淬法等。高熵合金薄带的制备方法主要是真空熔体快淬法,其基本的工作原理是：将预先熔炼得到的铸锭装入石英管进行二次熔化，这个过程在封闭的保护气氛或真空下进行，然后将融化的过热液态合金喷射到按照设定转速旋转的水冷铜模上，合金被快速冷却而形成薄带8。这种方法具有极高的冷速，可以使多种金属及合金形成非晶态结构，所制备的非晶薄带具有特殊的力学及物理性能。1.5高熵合金的国内外研究现状由于高熵合金是一种新型合金,具有学术研究意义和很大的工业发展潜力。会为合金业应用带来一场新的变革,为社会带来新的效益。所以上世纪九十年代高熵合金的概念刚出现就受到了国内外学者的关注。目前,国内外有许多学者在研究高熵合金的理论及材料体系。不过,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、Si和Zn等元素中选配的58元合金;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。中国大陆最早是清华大学开始研究的，现在吉林大学和北京科技大学也开始了这方面的研究，吉林大学的蒋青、赵明、李建忱教授研究多主元高熵合金，其中李建忱教授开始了国家自然科学基金项目“等原子比高熵轻合金的形成理论、制备及组织与性能”的研究；北京科技大学新金属材料国家重点实验室的张勇教授研究多主元高熵合金，并且在2007年硕士研究生招生专业中也设立了多主元高熵合金的研究方向。最近台湾对多主元高熵合金制备及其充放电性能进行了研究，期望能开发出具有高能量密度和良好充放电性能、耐腐蚀、高寿命、价格低廉的新型高熵氢化物二次电池；剑桥大学的科学家也开始在等摩尔多主元合金方面展开了研究工作；山东科技大学也在2007年开始对多主元高熵合金这一新型材料体系开始探索，侧重太原工业学院毕业设计13于其微观结构形成机理的研究。但是，目前主要是对某些特定的多主元高熵合金结构、性能等进行了研究和探索，如高熵合金Al0.5CoCrCuFeNi中添加钒元素对其微观结构、硬度、抗腐蚀性能的影响；面心立方结构的高熵合金CuCoNiCrAl0.5Fe添加硼元素后的抗磨损性能及高温压缩性能研究；多种元素高熵合金AlxCoCrCuFeNi微观结构特点的研究、系列机械性能的研究；多主元高熵合金AlTiFeNiCuCrx微观结构和力学性能等的研究。目前，多主元高熵合金在理论研究与实验研究方面的结果都非常少，所出现的一些多主元高熵合金体系也只是通过鸡尾酒式的方法调配而成，还没有形成科学选择合金元素的理论；此外，对于多主元高熵合金凝固后的组织形成以及各方面的性能比如力学性能、耐高温和耐磨性能、电学和磁学性能以及其它一些物理性能都还没有清晰的认识；在相、微结构分析鉴定，相图、热力学、动力学分析以及物理、化学、机械性质测定，新制备工艺的开发、应用性能及其领域的拓展等几个方面还有待进一步研究。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。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。以五元等摩尔比高熵合金AlCrCuFeNi的组织为例，同样采用真空电弧炉熔炼，文献20和文献14给出的AlCrCuFeNi合金组织分为图1.5和图1.6，以及笔者自制高熵合金图1.7。图1.5文献20中的合金组织太原工业学院毕业设计14图1.6文献14中的合金组织图1.7,.笔者自制八组元高熵合金组织其显微组织如图1.7所示。不难看出，不同研究者利用相同方法制备所得的高熵合金组织存在一定的差异，未能实现较高的重现性。而一种材料实现产业化的基本前提是通过某种制备方法能够制出组织、性能稳定的材料。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。因此，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太原工业学院毕业设计15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，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。高熵合金是一个全新的合金领域，它跳出了传统合金的设计框架，是具有许多优异性能的、特殊合金系，调整其成分可以进一步优化性能，因而具有极为广阔的应用前景。国内有关高熵合金的研究才刚刚起步，虽然有不少研究者开始关注此类合金的研究，但相关数据尚属实验室阶段，未真正进入实际应用阶段9。若某一具体的高熵合金能够获得稳定、可靠、具有工业参考价值的实验数据，将真正、快速地推动高熵合金的研究和应用，在工业应用的各个领域将能看见高熵合金的身影。多主元高熵合金被认为是最近几十年来合金化理论的3大突破之一(另外2项分别是大块金属玻璃和橡胶金属)，由于高熵合金应用潜力的多元化，面对的产业也将会是多元化的，因此，传统合金工业的升级与高科技产业的发展也将为高熵合金开辟无限发挥的空间，这无疑对传统冶金行业的提升具有重要意义。1.6涂层的介绍涂层是涂料一次施涂所得到的固态连续膜，是为了防护，绝缘，装饰等目的，涂布于金属，织物，塑料等基体上的塑料薄层。涂料可以为气态、液态、固态，通常根据需要喷涂的基质决定涂料的种类和状态。涂层可以按照功能分类，为耐磨损涂层、耐热抗氧化涂层、抗大气和浸渍腐蚀涂层、电导和电阻涂层、恢复尺寸涂层、机械部件间隙控制涂层、耐化学腐蚀涂层等。涂层按应用分类，为蒙皮涂层、发动机涂层、温控涂层、火箭发动机涂层、伪装涂层、纺织涂层、硬质合金涂层、刀具涂层等。金属涂层是指以金属为喷涂材料，用热喷涂法制备的覆盖层。1.7高熵合金涂层太原工业学院毕业设计16某些研究表明，在无保护气体、涂覆厚度较薄、能量密度适宜时,可以得到成形质量良好的高熵合金涂层;涂层组织由共晶体和网状联接物组成,平均硬度在9501250HV_(0.2)之间,在800下仍能保持700HV_5的硬度,随着工艺参数的不同,涂层的组织、硬度会有一定的差异。本文中是以高熵合金为涂层材料，使高熵合金涂层熔渗到基体当中。本文主要研究T8钢基体表面熔渗高熵合金组织及性能研究。高熵合金一共分为两种，一种是选取Al、Cr、Co、Fe、Ni粉末，其纯度为99.5%以上，按摩尔比为1:1:1:1:1配置合金；另外一种是选取AI、Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti、Si粉末，其纯度为99.5%以上，按摩尔比为1:1:1:1:1:1:0.75:0.25配置合金。配置合金用振筛机充分搅拌获得均匀的高熵合金粉末。完成高熵合金在T8钢基体面表面熔渗工艺实验。其工艺过程主要是感应加热或者热处理炉加热。进行继续研究：（1）各种实验条件下获得的熔渗高熵合金试样的