材料成型及控制工程畢業(yè)設(shè)計-球鐵基體表面熔滲高熵合金工藝及性能研究

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　球鐵基體表面熔滲高熵合金工藝及性能研究</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本人在指導(dǎo)教師

2、的指導(dǎo)下獨(dú)立完成的，在完成論文時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)計任務(wù)書</b></p><p>　　設(shè)計題目： 球鐵基體表面熔滲高熵合金工藝及性能研究

3、 </p><p>　　1．設(shè)計的主要任務(wù)及目標(biāo)</p><p>　　1）掌握高熵合金的概念、性能特點(diǎn)、制造工藝。</p><p>　　2）完成高熵合金在球鐵基體表面熔滲工藝實(shí)驗(yàn)。</p><p>　　3）各種實(shí)驗(yàn)條件下獲得的熔滲高熵合金試樣的制備。</p>

4、<p>　　4）各種實(shí)驗(yàn)條件下獲得的熔滲高熵合金的顯微組織觀察。</p><p>　　5）完成各種實(shí)驗(yàn)條件下獲得的的硬度、耐磨性等力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)。</p><p>　　通過上述實(shí)驗(yàn)取得表面熔滲高熵合金的合適工藝參數(shù)、獲得顯微組織照片及力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。</p><p>　　2．設(shè)計的基本要求和內(nèi)容</p><p>　　1）查閱20篇

5、以上的科技文獻(xiàn)。</p><p>　　2）完成畢業(yè)設(shè)計的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)任務(wù)。</p><p>　　3）完成畢業(yè)設(shè)計的開題答辯、中期檢查。</p><p>　　4）按照畢業(yè)論文的撰寫要求完成畢業(yè)論文、參加答辯。</p><p><b>　　3．主要參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]張力.高熵合金

6、的制備及組織與性能[D].吉林大學(xué)，2008：11-56.</p><p>　　[2]S.Ranganathan.Alloyed pleasures:multimetallic cocktails[J]．Current science，2003，85(1025).</p><p>　　[3]郭衛(wèi)凡.多主元高熵合金的研究進(jìn)展[J]．金屬功能材料，2009，16（1）. </p>

7、<p><b>　　4．進(jìn)度安排</b></p><p>　　球鐵基體表面熔滲高熵合金工藝及性能研究</p><p>　　摘要：高熵合金的提出是基于20世紀(jì)90年代大塊非晶合金的開發(fā)，人們都致力于尋找具有超高玻璃化形成能力的合金。有人認(rèn)為非晶或玻璃的原子混亂度高或熵高，而高熵必然導(dǎo)致高的玻璃化形成能力，所以有人提出一個混亂理論。但是，后來有學(xué)者發(fā)現(xiàn)高熵和高

8、的玻璃化形成能力并不一致，倒是發(fā)現(xiàn)有些高混合熵合金可以形成單相固溶體。對此，葉均蔚等認(rèn)為這種固溶體是高混合熵穩(wěn)定的固溶體，因此命名為高熵合金。</p><p>　　涂層是涂料一次施涂所得到的固態(tài)連續(xù)膜，是為了防護(hù)，絕緣，裝飾等目的，涂布于金屬，織物，塑料等基體上的塑料薄層。近年來,金屬表面的涂層引起了人們極大的注意。金屬表面涂層可提高零件的耐腐蝕、摩擦、磨損和疲勞。利用高熵合金優(yōu)良的機(jī)械性能，將其涂覆于普通金屬基

9、體表面獲得高熵合金涂層，是高熵合金應(yīng)用的一個重要方向。</p><p>　　為此，本論文通過完成高熵合金在球鐵基體表面熔滲工藝實(shí)驗(yàn)；熔滲高熵合金的熱處理；熱處理后熔滲高熵合金顯微組織觀察；硬度測試力學(xué)性能等一系列 實(shí)驗(yàn)來研究高熵合金熔滲在不同金屬基體材料上獲得的熔滲層的組織和性能。</p><p>　　關(guān)鍵詞：高熵合金，涂層，表面熔滲<

10、;/p><p>　　Ductile iron substrate surface aluminized high entropy alloys technology and performance study </p><p>　　Abstract: This paper presents the high entropy alloy is the development of bulk

11、 amorphous alloys based on twentieth Century 90's, people are committed to finding of alloy with high glass forming ability. Some people think that non crystalor glass atomic disorder or entropy is high, and the high

12、 entropy will inevitably lead to the high glass forming ability, so some people propose a chaos theory.However, later scholars have found that high entropy and high glass forming ability is not consistent,</p><

13、;p>　　The coating is a solid continuous film coating a coating obtained, for protection,insulation, decoration and other objective, coating on the metal, fabric, plastic thin plastic substrates. In recent years,coatin

14、g on the surface of metal has aroused great attention. Surface coating of metal can improve the corrosion resistance of the parts, friction, wear and fatigue.Excellent mechanical performance using high entropy alloys, th

15、e coated in ordinary metal substrate surface to obtain high entropy </p><p>　　Therefore, this thesis through the completion of the high entropy alloy infiltration process experiment in molten ductile iron ma

16、trix surface; heat treatmentinfiltration of high entropy alloy; heat treatment after infiltration of high entropyalloy microstructure observation; hardness testing mechanical properties of a series of experiments to stud

17、y the high entropy alloy structure and properties of the layer obtained in different gold genus of substrate material on the infiltration.</p><p>　　Keywords: high entropy alloy, coating, surface infiltration

18、</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1高熵合金概述1</p><p>　　1.2選題的背景、論文研究的目的及意義2</p><p>　　1.3高熵合金的定義4</p>

19、<p>　　1.3.1熵的定義和計算4</p><p>　　1.3.2高熵合金的界定5</p><p>　　1.4高熵合金的特點(diǎn)及性能7</p><p>　　1.5高熵合金的組織特點(diǎn)8</p><p>　　1.6高熵合金的制備方法10</p><p>　　1.6.1電弧熔煉法10</p>

20、;<p>　　1.6.2高頻感應(yīng)爐加熱熔煉11</p><p>　　1.6.3其他熔煉方法12</p><p>　　1.7國內(nèi)外關(guān)于高熵合金的研究現(xiàn)狀12</p><p><b>　　1.8涂層13</b></p><p>　　1.8.1涂層介紹13</p><p>　　1

21、.8.2涂層分類14</p><p>　　1.8.3涂層的應(yīng)用15</p><p>　　1.9高熵合金涂層18</p><p>　　2.熔滲高熵合金試驗(yàn)的制備19</p><p>　　2.1配置高熵合金19</p><p>　　2.2粘接劑的配置19</p><p>　　2.3熔滲高

22、熵合金試樣的制備20</p><p>　　3.球墨鑄鐵熔滲高熵合金工藝研究21</p><p>　　3.1球墨鑄鐵的定義21</p><p>　　3.2球墨鑄鐵的組成結(jié)構(gòu)21</p><p>　　3.3球墨鑄鐵的組織形態(tài)21</p><p>　　3.3.1金相拋光機(jī)的介紹21</p><

23、p>　　3.3.2三目倒置金相顯微鏡介紹22</p><p>　　3.4球墨鑄鐵性能24</p><p>　　3.4.1球墨鑄鐵洛氏硬度測試24</p><p>　　3.5球墨鑄鐵的應(yīng)用領(lǐng)域27</p><p>　　3.6 熱處理爐加熱熔滲高熵合金工藝28</p><p>　　3.7 感應(yīng)加熱熔滲高熵合

24、金工藝29</p><p>　　4.球鐵基體熔滲高熵合金組織及性能研究31</p><p>　　4.1八組元熱處理爐加熱熔滲高熵合金組織31</p><p>　　4.2八組元感應(yīng)加熱熔滲高熵合金組織31</p><p>　　4.3球鐵基體熔滲高熵合金性能研究32</p><p>　　4.3.1維式硬度計介紹

25、32</p><p>　　4.3.2維氏硬度實(shí)驗(yàn)原理34</p><p>　　4.3.3維氏硬度的表示方法34</p><p>　　4.3.4維氏硬度試驗(yàn)的分類和試驗(yàn)力選擇35</p><p>　　4.3.5實(shí)驗(yàn)操作步驟36</p><p>　　4.3.6實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)36</p><p&g

26、t;　　4.3.7實(shí)驗(yàn)內(nèi)容37</p><p><b>　　結(jié)論40</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)41</b></p><p><b>　　致謝43</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><

27、;p><b>　　1.1高熵合金概述</b></p><p>　　高熵合金的提出是基于20世紀(jì)90年代大塊非晶合金的開發(fā)，人們都致力于尋找具有超高玻璃化形成能力的合金。通過已有的研究報道發(fā)現(xiàn)，高熵合金具有一些傳統(tǒng)合金所無法比擬的優(yōu)異性能，如高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨耐腐蝕性、高熱阻、高電阻等，從而成為在材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理領(lǐng)域中繼大塊非晶之后一個新的研究熱點(diǎn)[1]。目前，高熵合金的研究多是

28、集中在鑄態(tài)下的性能測試，我們知道鑄態(tài)下的產(chǎn)品有著天然的性能缺陷(如由于熱脹冷縮造成的空洞、疏松等)，而對其熱處理、熱加工后的性能研究缺少有報道。有人曾預(yù)言，未來幾十年內(nèi)，最有發(fā)展?jié)摿Φ娜笱芯繜狳c(diǎn)是大塊非晶、復(fù)合材料和高熵合金。</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

29、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)的一個基本領(lǐng)域[2]。 </p><p>　　傳統(tǒng)合金系統(tǒng)約有30種,其在特性上已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的境界,但在許多方面仍然無法滿足設(shè)計的需求,所以近年來,有更多的努力欲尋求突破,開發(fā)出

30、了一些新的材料。如介金屬材料、金屬基復(fù)合材料、金屬玻璃和無鉛焊錫等。介金屬材料主要為:NiAl、Ni3A1、Ti3Al、TiA1、FeAl、Fe3Al等。這種材料具有高剛性/密度比、高溫強(qiáng)度/密度比以及抗氧化性能,但是它的延性和韌性都極差,因此開發(fā)了近20年,尚未能有具體突破,僅有極少量的應(yīng)用;金屬基復(fù)合材料是以Al、Ti、Ni為基材,氧化物及碳化物為強(qiáng)化相復(fù)合而成的金屬材料。它具有高剛性、耐溫性和耐磨性的優(yōu)點(diǎn),但是也有極為明顯的缺點(diǎn),

31、如它的強(qiáng)化相難以均勻分布、含孔洞、低韌性,使用可靠度也比較低,因此未能取代鈦合金及其他結(jié)構(gòu)材料;金屬玻璃和無鉛焊錫也由于存在這樣或那樣的不足,未能大量使用于實(shí)際。 </p><p>　　驀然回首,長久以來,我們都在傳統(tǒng)合金觀念下配制合金、開發(fā)其工業(yè)、研究其微觀組織結(jié)構(gòu)性能以及開發(fā)應(yīng)用,無形中也就限制了合金發(fā)展的自由度及空間。究其原因,主要是因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)合金觀念下,雖然可以添加少量合金元素來提高和改善材料性能,但如果

32、合金中成分過多,會產(chǎn)生金屬間化合物和復(fù)雜相,導(dǎo)致合金性能惡化;也給材料的組織、成分分析以及材料的性能控制帶來極大的困難。 </p><p>　　在這種觀念的束縛下,金屬材料的發(fā)展似乎鉆進(jìn)了一條死胡同,能夠做出的突破越來越少,與日新月異的科技發(fā)展速度越來越不匹配。因此解放思想,打破桎梏,成為了新型金屬材料研究的新課題。 上世紀(jì)七十年代以來,在合金領(lǐng)域里,眾多科學(xué)家和學(xué)者做出了三個較大的突破,即:多元素大塊非晶合金、

33、多功能的超彈塑性合金以及納米結(jié)構(gòu)的高熵合金的制備。高熵合金是以中國臺灣國立清華大學(xué)以葉均蔚為首的學(xué)者們,通過多元素大塊非晶合金的研究,首先跳出了傳統(tǒng)合金的狹窄理念,于1996年提出新的合金設(shè)計理念,高熵合金從此出現(xiàn)在了世人的面前。</p><p>　　作為三種新型材料之中最后提出來的高熵合金,目前可以說是一塊尚未開發(fā)的全新領(lǐng)域。但毫無疑問的,這是一個極具學(xué)術(shù)研究價值及工業(yè)發(fā)展?jié)摿Φ母咝驴萍?通過研究該項(xiàng)科技,可研

34、發(fā)出大量實(shí)用和高技術(shù)含量的新型金屬材料。通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),高熵合金地制備,除了可以使用傳統(tǒng)金屬的加工工藝以外,還可以利用速凝法、機(jī)械合金化來制備。通過這2種方法所制備的高熵合金,其微觀組織更傾向于形成納米晶顆粒或是非晶結(jié)構(gòu)[3]。 </p><p>　　與傳統(tǒng)合金相比,高熵合金在以下特性中擁有更好的表現(xiàn):1高硬度和良好的韌性;2良好的耐腐蝕性和耐磨性;3較高的耐溫性和回火抗性;4良好的加工硬化性能。因此,高熵合金

35、可以作為工程材料中多種其他合金的替代材料使用。 高熵合金的性能比傳統(tǒng)合金具有較大優(yōu)越性,但其微觀組織和性能機(jī)理有待研究。開展這方面的工作,對于開發(fā)新型高熵合金材料,促進(jìn)高熵合金在工業(yè)上的應(yīng)用,具有十分重要的經(jīng)濟(jì)價值和社會價值[4]。</p><p>　　1.2選題的背景、論文研究的目的及意義</p><p>　　材料是人類文明進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)，材料的發(fā)展記載著人類文化進(jìn)展的發(fā)展，對于人類認(rèn)識

36、世界、改造傳統(tǒng)材料、發(fā)展新型材料、促進(jìn)社會文明，具有不可估量的影響。人類由石器時代直接進(jìn)入鋼鐵時代，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。</p><p>　　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，也極大的提高了人類的生活水平[5]。</p><p>　　目前人類已經(jīng)開發(fā)并實(shí)用化的合

37、金系有30余種，每一種合金系都是以某一種元素為主體（含量超過50%），如以鋁為主的鋁合金、以鐵為主的鋼等等。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)，上百年來的發(fā)展已經(jīng)讓新合金系的探索工作到了“山窮水盡”的地步。而且，合金中所含的添加元素過多，會導(dǎo)致合金內(nèi)析出大量復(fù)雜的金屬間化合物，尤其是脆性化合物，嚴(yán)重的降低了合金的力學(xué)性能，對合金成分的分析和性能的控制也帶來了極大的困難。高熵合金正是在這樣的趨勢下應(yīng)運(yùn)而生的。</p&

38、gt;<p>　　2004年中期臺灣研究學(xué)者提出了新的合金設(shè)計理念，即多主元高熵合金：一種具有5種以上主元且每種主元原子分?jǐn)?shù)不超過35％的合金。目前的研究結(jié)果表明，多主元高熵合金凝固后不僅不會形成數(shù)目眾多的金屬化合物，反而形成簡單的體心立方或面心立方相甚至非晶質(zhì)，所得相數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于平衡相率所預(yù)測的相數(shù)[6]。由于高熵合金擁有很多傳統(tǒng)合金所不具有的優(yōu)異特性，比如通過適當(dāng)?shù)暮辖鹋浞皆O(shè)計，可獲得高硬度、高加工硬化、耐高溫軟化、耐高

39、溫氧化、耐腐蝕、高電阻率等特性組合，如：高硬度且耐磨耐溫耐蝕的工具、模具；化學(xué)工廠、船艦的耐蝕高強(qiáng)度材料；渦輪葉片、熱交換器及高溫爐的耐熱材料等。因此多主元高熵合金是一個可合成、加工、分析和應(yīng)用的新合金世界，多主元高熵合金不僅在理論研究方面有重大價值，在工業(yè)生產(chǎn)方面同樣具有很大的應(yīng)用潛力。</p><p>　　高熵合金的性能比傳統(tǒng)合金具有較大優(yōu)越性，具有學(xué)術(shù)研究及應(yīng)用價值。由于應(yīng)用潛力多元化，面對的產(chǎn)業(yè)也多元化，

40、因此傳統(tǒng)合金工業(yè)的升級及高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也將為高熵合金開辟無限發(fā)揮的空間，對傳統(tǒng)冶金和鋼鐵行業(yè)的提升無疑具有重要意義，但其微觀組織和性能機(jī)理有待研究[7]。開展這方面的工作，對于開發(fā)新型高熵合金材料，促進(jìn)高熵合金在工業(yè)上的應(yīng)用，具有十分重要的經(jīng)濟(jì)價值和社會價值。</p><p>　　1.3高熵合金的定義</p><p>　　以中國臺灣學(xué)者葉均蔚為首的一批材料學(xué)者，在經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)，掌握了大量

41、數(shù)據(jù)的前提下，于1996年首次提出了新的合金設(shè)計理念，即多主元高熵合金，也稱為多主元高混亂度合金。</p><p>　　高熵合金由n( n》5) 種金屬或金屬與非金屬, 經(jīng)熔煉、燒結(jié)或其他方法組合而成具有金屬特性的材料。從目前的研究狀況來看, 為了獲得較高的熵值,高熵合金的主要組元都大于5 種, 組元的原子分?jǐn)?shù)一般不超過35% 。</p><p>　　1.3.1熵的定義和計算</p&

42、gt;<p>　　在熱力學(xué)上，熵(entropy)是代表一個物質(zhì)系統(tǒng)的混亂度的參數(shù)，如果混亂度越大，熵就越大。一個物質(zhì)系統(tǒng)中的原子振動組態(tài)、電子組態(tài)、磁矩組態(tài)、原子排列組態(tài)等都會影響系統(tǒng)的熵值，其中原子排列組態(tài)的影響最大，如果忽略其它組態(tài)對熵值的影響，則系統(tǒng)的熵以原子排列的混合熵為主?；旌响匾卜Q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，其反映合金中組元的組合方式，例如二元固溶體、空位固溶體與有序固溶體等組元組合方

43、式不同，其組態(tài)熵也不同。熵(S)是熱力學(xué)幾率，組態(tài)熵 △S=KlnW。計算熱力學(xué)幾率，實(shí)際上是一個計算組合的問題，下面以二元置換固溶體為例進(jìn)行計算。</p><p>　　設(shè)固溶體晶格中一共有N個結(jié)點(diǎn)，被A平EIB兩類原子完全占據(jù)，一個結(jié)點(diǎn)上只能容納一個原子，這兩類原子的數(shù)目分別是NA和NB，現(xiàn)在計算這兩類原子填充到結(jié)點(diǎn)上的組態(tài)數(shù)目。NA個結(jié)點(diǎn)被A類原子充填后，余下的NB個結(jié)點(diǎn)由B原子占據(jù)，此時只有一種組合，所以求

44、兩類原子的填充組合實(shí)際上是求NA個原子占據(jù)N個結(jié)點(diǎn)的組合數(shù)，即</p><p><b>　　（1.1）</b></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，所以計算階乘時可以采用斯特林(Stirling)近似公式，即</p><p>　　lnN!=NInN-N

45、 （1.2）</p><p><b>　　故組態(tài)熵為</b></p><p><b>　?。?.3）</b></p><p>　　如果用摩爾分?jǐn)?shù)表示成分，則上式為</p><p><b>　?。?.4）</b></p><p>

46、　　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，其組念熵Sm(或混合熵Smix)為</p><p>　　Smix=-R(c1lnc1+

47、c2lnc2+……+cnlncn) （1.5）</p><p>　　當(dāng)c1=c2……=cn，會得到很高的混合熵[8]。</p><p>　　1.3.2高熵合金的界定</p><p>　　如果合金的組元都是等摩爾比例，則根據(jù)式(1．5)，合金的混合熵隨著合金主元的個數(shù)的變化而變化的趨勢如圖1.1，可見，隨著合金元素個數(shù)的增加，合金的混合熵增加。臺灣學(xué)者

48、發(fā)現(xiàn)當(dāng)合金的主元個數(shù)n≥5時，合金生成固溶體，不易出現(xiàn)金屬問化合物，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會世界。根據(jù)式(1．5)，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

49、、中熵合金與高熵合金，以1個元素為主的合金為低熵合金，2～4個元素為主的合金為中熵合金，5個主元以上(包含5個)的合金為高熵合金[9]，見圖1.2。</p><p>　　圖1.1 合金的混合熵隨著合金主元的個數(shù)的變化而變化的趨勢圖</p><p>　　圖1.2 以熵劃分的合金示意圖</p><p>　　1.4高熵合金的特點(diǎn)及性能</p><p&g

50、t;　　鑒于高熵合金擁有特殊的理論依據(jù)和設(shè)計理念，因此高熵合金與傳統(tǒng)合金相比也擁有與眾不同的特點(diǎn)，下面進(jìn)行總結(jié)：</p><p>　　(1)高熵合金傾向于形成簡單相結(jié)構(gòu)的BCC或FCC固溶體。根據(jù)吉布斯自由能公式所示：</p><p><b>　?。?.6）</b></p><p>　　式中T為熱力學(xué)溫度，Hmix為混合焓，Smix為混合熵，G

51、mix為吉布斯自由能。由公式（1.6）很容易看出混合焓和混合熵之間的關(guān)系是相互對立、相互制約的，合金自由能便是它們結(jié)合的產(chǎn)物。簡單BCC和FCC結(jié)構(gòu)固溶體的形成需要較低的自由能，而高熵合金的混合熵很高，這就使得合金的自由能極低，合金最終傾向于形成簡單固溶體相。</p><p>　　(2)高熵合金僅在鑄態(tài)或是完全回火態(tài)下就會析出納米晶顆粒。這是因?yàn)楦哽睾辖鹪谌蹮挄r，各元素熔化后的原子混亂排列，凝固時這些原子很難進(jìn)行

52、擴(kuò)散和再分配，這就有利于在合金基體內(nèi)部形成納米晶顆粒。</p><p>　　高熵合金擁有極大的混亂度，特別是在高溫下，其混亂度將會變得更大。根據(jù)合金自由能越低，則合金系統(tǒng)越趨于穩(wěn)定的原則，高熵合金在高溫下的穩(wěn)定性依然極高，固溶強(qiáng)化依然存在，因此合金擁有極高的高溫強(qiáng)度。研究表明，高熵合金在1000℃的高溫下進(jìn)行長時間(約12小時)的熱處理后，硬度不降反升，與傳統(tǒng)合金形成了鮮明的對比[10]，如下表1.1所示。<

53、;/p><p>　　表1.1高熵合金與傳統(tǒng)合金回火比較</p><p>　　(4)高熵合金以簡單BCC和FCC結(jié)構(gòu)固溶體存在時，由于組成元素之間在原子半徑、晶體結(jié)構(gòu)等方面存在差異，高熵合金的固溶強(qiáng)化會產(chǎn)生強(qiáng)效，導(dǎo)致位錯在合金內(nèi)部難以進(jìn)行，因此合金硬度和強(qiáng)度都較高：而當(dāng)高熵合金以非晶結(jié)構(gòu)存在時，更是不存在位錯，因此合金性能更強(qiáng)。</p><p>　　(5)高熵合金的主要組

54、成元素至少5種以上，合金的晶格扭曲情況十分嚴(yán)重，因此合金的物理、化學(xué)性能以及機(jī)械性能也將會產(chǎn)生極大的變化。</p><p>　　(6)高熵合金中總有一些元素，如Al元素，會使合金產(chǎn)生致密氧化物，而高熵合金通常都具有納米晶、非晶、單相、低自由焓的特性，因此高熵合金的耐腐蝕性能比傳統(tǒng)合金更為優(yōu)秀[11]。</p><p>　　1.5高熵合金的組織特點(diǎn)</p><p>　

55、　根據(jù)經(jīng)典的Ｇｉｂｂｓ相律法則規(guī)定：ｎ 種元素的合金系統(tǒng)所能產(chǎn)生的平衡相數(shù)目ｐ＝ｎ＋１，在非平衡凝固的條件下形成的相數(shù)ｐ＞ｎ＋１。但是經(jīng)過Ｙｅｈ等人的研究發(fā)現(xiàn)并非如此，多主元高熵合金凝固后不僅沒有形成數(shù)目眾多的金屬間化合物，反而形成了簡單的體心立方或面心立方相，甚至非晶相［１１－１２］或附帶晶間化合物。這是因?yàn)楦哽匦?yīng)的作用，當(dāng)元素數(shù)目較多而導(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，高熵效應(yīng)就會抑制脆性金屬間化合物的出現(xiàn)，促進(jìn)固

56、溶體的形成；另一方面高混合熵會減小電負(fù)性差，抑制化合物形成，促進(jìn)元素間的混合，最終混合形成簡單的固溶體結(jié)構(gòu)。目前研究顯示，在沒有主元素的情況下，各種元素會互相固溶成單一結(jié)構(gòu)，由圖1.3可以看出高熵合金的相結(jié)構(gòu)非常簡單，只有面心立方相ＦＣＣ及體心立方相PCC 。 </p><p>　　圖1.3 等摩爾合金的ＸＲＤ分析結(jié)果</p><p>　　納米析出

57、甚至非晶化的現(xiàn)象是高熵合金的另一個重要的特色。合金微結(jié)構(gòu)納米化可使材料的力學(xué)、電化學(xué)及物理性能等許多性能得到增強(qiáng)。合金納米化傾向的主要原因與動力學(xué)理論有關(guān)。因?yàn)楫?dāng)高熵合金熔解時，所含元素混亂排列成為無序液體，凝固后，多組元素的相分離過程和長程擴(kuò)散非常緩慢，再加上分配時擴(kuò)散粒子的相互作用，導(dǎo)致析出物的成核及長大延遲，從而有利于納米相的形成。對于快速凝固或真空鍍膜而言，由于原子大小差異會造成晶格扭曲，高熵合金更能展現(xiàn)納米化，甚至非晶化的傾向

58、[2]。據(jù)研究，在ＴｉＶＣｒＭｎＦｅｃｏＮｉＣｕ銅模噴鑄合金中，局部區(qū)域形成了非晶，同時還析出尺寸約１０ｎｍ的納米相粒子［１４］。研究ＣｕＣｏＮｉＣｒＡｌＦｅ 等摩爾六元高熵合金，在電子顯微鏡下可以觀察到納米結(jié)構(gòu)及納米析出物，如圖1.4所示，ａ為板條間基體相，寬度約為７０ｎｍ，晶體結(jié)構(gòu)屬于無序的體心立方結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)為２．８９；ｂ為板條基體相，寬度約為１００ｎｍ，晶體結(jié)構(gòu)屬于有序的體心立方結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)為２．８９；ｃ為板條內(nèi)納米析出

59、物，直徑在７～５０ｎｍ之間，晶體結(jié)構(gòu)接近面心立方相結(jié)構(gòu)；ｄ為板條間納米析出物，直徑約為３ｎｍ，晶體結(jié)構(gòu)屬于無序的</p><p>　　圖1.4 ＣｕＣｏＮｉＣｒＡｌＦｅ高熵合金ＳＥＭ鑄態(tài)組織</p><p>　　1.6高熵合金的制備方法</p><p>　　1.6.1電弧熔煉法</p><p>　　真空電弧如圖1.5所示，由爐體、電源、真空系

60、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，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，電極用鎢等高熔點(diǎn)材料制成，電弧熔煉時電極本身并不熔化，是永久性的。自耗電極

61、電弧爐的電極采用被熔煉材料制成，如熔煉鈦時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。電極升降裝置隨著電極的不斷消耗使電極穩(wěn)定下降，以保持兩極的距離和電弧的穩(wěn)定。真空自耗電弧爐熔煉一般是在1.3～1.3×10-1Pa的爐內(nèi)壓力下進(jìn)行。電弧溫度可高達(dá)5000K。電極熔化的液滴通過弧區(qū)時，便會產(chǎn)生強(qiáng)烈的揮發(fā)、分解、化合等脫氣、去除雜質(zhì)的凈化作用，然后滴入水冷銅結(jié)晶器中凝固成鑄錠。真空電弧熔煉不使用耐火材料，熔煉高熔點(diǎn)難熔

62、金屬鎢、鉬、鉭、鈮和活性很高的鈦和鋯時可不受耐火材料的污染。爐料邊熔化邊凝固可消除縮孔</p><p><b>　　圖1.5真空電弧爐</b></p><p>　　1.6.2高頻感應(yīng)爐加熱熔煉</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

63、時間，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>　　1.6.3其他熔煉方法</p><p>　　此外高熵合金還可以用機(jī)械合金化法和真空熔體快淬法等。機(jī)械合金化(

64、MA)是一種非平衡態(tài)粉末固態(tài)合金化方法，其特點(diǎn)突出表現(xiàn)在材料制備過程中的非平衡性和強(qiáng)制性; 高熵合金薄帶的制備方法主要是真空熔體快淬法,其基本的工作原理是：將預(yù)先熔煉得到的鑄錠裝入石英管進(jìn)行二次熔化，這個過程在封閉的保護(hù)氣氛或真空下進(jìn)行，然后將融化的過熱液態(tài)合金噴射到按照設(shè)定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的水冷銅模上，合金被快速冷卻而形成薄帶。這種方法具有極高的冷速，可以使多種金屬及合金形成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，所制備的非晶薄帶具有特殊的力學(xué)及物理性能[13]。<

65、;/p><p>　　1.7國內(nèi)外關(guān)于高熵合金的研究現(xiàn)狀</p><p>　　由于高熵合金是一種新型合金, 具有學(xué)術(shù)研究意義和很大的工業(yè)發(fā)展?jié)摿?。會為合金業(yè)應(yīng)用帶來一場新的變革, 為社會帶來新的效益。所以上世紀(jì)九十年代高摘合金的概念剛出現(xiàn)就受到了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注12 1。目前, 國內(nèi)外有許多學(xué)者在研究高摘合金的理論及材料體系。</p><p>　　不過, 目前國內(nèi)外學(xué)者對

66、高摘合金的研究, 主要集中在制備方法的研究, 并且針對具體合金系,研究元素含量對合金組織、性能的影響。研究對象主要是在Al、Ti、V、Cr、Mn 、Fe 、Co 、Ni、Cu、Si和zn 等元素中選配的5 ~ 8 元合金; 所研究的性能主要是常規(guī)力學(xué)性能, 如硬度、抗壓強(qiáng)度、耐磨性、耐蝕性等, 其它性能研究相對較少, 數(shù)據(jù)不多。微觀機(jī)理方面的研究尚未真正展開, 僅清華大學(xué)和北京科技大學(xué)的學(xué)者做了少量探索。從研究成果來看, 目前還是臺灣清

67、華大學(xué)的研究處于領(lǐng)先地位, 已有多項(xiàng)發(fā)明專利。</p><p>　　高熵合金的應(yīng)用潛力巨大，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。但是，高熵合金的各項(xiàng)相關(guān)數(shù)據(jù)基本還處于試驗(yàn)室階段，尚未真正進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域，還未能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。這一方面是因?yàn)樵擃I(lǐng)域的相關(guān)研究剛剛起步，很多人對此類合金還不了解；另一方面是有關(guān)此類合金的數(shù)據(jù)非常少，數(shù)據(jù)重復(fù)性不夠高。目前文獻(xiàn)所報道的用于實(shí)驗(yàn)研究的高熵合金，無論采用哪種方法制備，試樣都很小，一般只有幾十克。因此，摩爾

68、比合金的混合熵高于非等摩爾比合金的混合熵，且合金的組織與性能可能對某些元素較為敏感。因此，要使高熵合金的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)真正應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)領(lǐng)域，還需提高配樣精度，提高數(shù)據(jù)的重復(fù)再現(xiàn)性。對于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示性能優(yōu)異、經(jīng)濟(jì)性良好的高熵合金，可以熔制大塊試樣，再檢測相應(yīng)的性能，獲得真正可以用到實(shí)際生產(chǎn)的參考數(shù)據(jù)。國內(nèi)僅有的幾個已獲批準(zhǔn)的高熵合金相關(guān)的專利，是制備方法方面的，所獲得的高熵合金同樣存在試樣較小的問題[14]。</p><p

69、>　　高熵合金是一個全新的合金領(lǐng)域，它跳出了傳統(tǒng)合金的設(shè)計框架，是具有許多優(yōu)異性能的、特殊合金系，調(diào)整其成分可以進(jìn)一步優(yōu)化性能，因而具有極為廣闊的應(yīng)用前景。國內(nèi)有關(guān)高熵合金的研究才剛剛起步，雖然有不少研究者開始關(guān)注此類合金的研究，但相關(guān)數(shù)據(jù)尚屬實(shí)驗(yàn)室階段，未真正進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。若某一具體的高熵合金能夠獲得穩(wěn)定、可靠、具有工業(yè)參考價值的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將真正、快速地推動高熵合金的研究和應(yīng)用，在工業(yè)應(yīng)用的各個領(lǐng)域?qū)⒛芸匆姼哽睾辖鸬纳碛癧1

70、5]。</p><p><b>　　1.8涂層</b></p><p><b>　　1.8.1涂層介紹</b></p><p>　　涂層是涂料一次施涂所得到的固態(tài)連續(xù)膜，是為了防護(hù)，絕緣，裝飾等目的，涂布于金屬，織物，塑料等基體上的塑料薄層。涂料可以為氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)，通常根據(jù)需要噴涂的基質(zhì)決定涂料的種類和狀態(tài)。</

71、p><p>　　依據(jù)所用涂料的種類而有不同的稱呼，如底漆的涂層稱為底漆層，面漆的涂層稱為面漆層。一般涂料所得涂層較薄，約在20~50微米，厚漿型涂料則一次可得厚達(dá)1毫米以上的涂層。</p><p>　　是為了防護(hù)，絕緣，裝飾等目的，涂布于金屬，織物，塑料等基體上的塑料薄層。</p><p><b>　　高溫電絕緣涂層</b></p>

72、<p>　　用銅、鋁等金屬做成的導(dǎo)線外面，或有絕緣漆、或有塑料、橡膠等絕緣包皮。然而，絕緣漆、塑料、橡膠都怕高溫，一般超過200℃就會集化，失去絕緣性能。而許多電線正需要在高溫下工作，那該怎么辦呢?對，讓高溫電絕緣涂層來幫忙，這種涂層實(shí)際上是一種陶瓷涂層，它除了能在高溫下保持電絕緣性能外，還能與金屬導(dǎo)線緊密“團(tuán)結(jié)”在一起，做到“天衣無縫”，任你將導(dǎo)線七繞八彎，它們也不會分離，這種涂層非常致密，涂上它，兩根電壓差很大的導(dǎo)線碰在一

73、起，也不會發(fā)生擊穿現(xiàn)象。</p><p>　　高溫電絕緣涂層根據(jù)其化學(xué)成分的不同，可分為許多種類。如石墨導(dǎo)體表面上的氮化硼或氧化鋁、氟化銅涂層，到400℃仍有良好的電絕緣性能。金屬導(dǎo)線上的搪瓷到700℃，磷酸鹽為基的無機(jī)粘結(jié)劑涂層到1000℃，等離子噴涂氧化鋁涂層在1300℃，都仍保持著良好的電絕緣性能。</p><p>　　高溫電絕緣涂層已在電力、電機(jī)、電器、電子、航空、原子能、空間技術(shù)

74、等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。</p><p><b>　　1.8.2涂層分類</b></p><p>　　依據(jù)美國F.N.LONGO對熱噴涂涂層的分類方法,涂層按功能可分為:</p><p><b>　　（1）、耐磨損涂層</b></p><p>　　包括抗粘著磨損、表面疲勞磨損涂層和耐沖蝕涂層。其中有

75、些情況還有抗低溫(<538℃)磨損和抗高溫(538～843℃)磨損涂層之分。</p><p>　　（2）、耐熱抗氧化涂層</p><p>　　該種涂層包括高溫過程(其中有氧化氣氛、腐蝕性氣體、高于843℃的沖蝕及熱障)和熔融金屬過程(其中有熔融鋅、熔融鋁、熔融鐵和鋼、熔融銅)所應(yīng)用的涂層。</p><p>　　（3）、抗大氣和浸漬腐蝕涂層</p>

76、<p>　　大氣腐蝕包括工業(yè)氣氛、鹽性氣氛、田野氣氛等造成的腐蝕;浸漬腐蝕包括飲用淡水、非飲用淡水、熱淡水、鹽水、化學(xué)和食品加工等造成的腐蝕。</p><p>　?。?）、電導(dǎo)和電阻涂層</p><p>　　該種涂層用于電導(dǎo)、電阻和屏蔽。</p><p>　?。?）、恢復(fù)尺寸涂層</p><p>　　該種涂層用于鐵基(可切削與可磨

77、削的碳鋼和耐蝕鋼)和有色金屬(鎳、鈷、銅、鋁、鈦及他們的合金)制品。</p><p>　　、機(jī)械部件間隙控制涂層</p><p><b>　　該種涂層可磨。</b></p><p>　?。?）、耐化學(xué)腐蝕涂層</p><p>　　化學(xué)腐蝕包括各種酸、堿、鹽,各種無機(jī)物和各種有機(jī)化學(xué)介質(zhì)的腐蝕。</p>&l

78、t;p>　　上述各涂層功能中,與冶金工業(yè)生產(chǎn)有密切關(guān)系的是耐磨損涂層、耐熱抗氧化涂層和耐化學(xué)腐蝕涂層。</p><p>　　1.8.3涂層的應(yīng)用</p><p><b>　?。?）蒙皮涂層</b></p><p>　　能防護(hù)鋁合金不受高速飛行時風(fēng)沙和雨水沖蝕，不受海水和航空燃料的腐蝕并能改善空氣動力學(xué)性能。涂層應(yīng)經(jīng)得住 200°

79、C左右瞬間溫度變化和強(qiáng)烈的日光輻照。飛機(jī)體積很大，烘烤條件受到限制，必須選用自干固化涂料，如丙烯酸或聚氨酯涂料。</p><p><b>　　發(fā)動機(jī)涂層</b></p><p>　　整臺發(fā)動機(jī)，從風(fēng)扇到尾噴管的主要部件無不使用涂層。發(fā)動機(jī)涂層按用途分為抗氧化耐腐蝕涂層、隔熱涂層、耐磨涂層和封嚴(yán)涂層。</p><p>　?、倏寡趸透g涂層：早期

80、發(fā)動機(jī)因工作時間短而高溫合金又含有足夠的鉻、本身能抗氧化，所以不施加涂層。然而，隨著發(fā)動機(jī)壽命的延長和溫度的提高，以及高溫鎳基合金中鉻含量降到原有的50%，已不能抵抗高溫氧化和熱腐蝕，需要涂層防護(hù)。高溫氧化和熱腐蝕是渦輪葉片損壞的主要原因,可使工作壽命縮短到300小時。涂覆涂層后高溫部件工作壽命可延長2～3倍。壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和靜子葉片使用含鋁磷(鉻)酸鹽涂層保護(hù)。燃燒室既可使用高溫搪瓷又可涂覆含鋁磷(鉻)酸鹽涂層。渦輪轉(zhuǎn)子和靜子葉片多用加有

81、鉻、鈦、硅、釔等改性元素的鋁化物擴(kuò)散涂層或擴(kuò)散障涂層。加力燃燒室使用高溫搪瓷或陶瓷涂層。 發(fā)展中的金屬-鉻-鋁-釔包覆涂層的使用壽命比擴(kuò)散涂層增加一倍以上，使用溫度達(dá)1100°C。這種涂層常與氧化鋯基隔熱涂層組合使用，可降低溫度50～100°C。</p><p>　?、谀湍ネ繉樱河绊懓l(fā)動機(jī)壽命的另一個因素是高溫磨損，包括撞擊磨損和微振磨損。爆炸噴涂或等離子噴涂碳化鎢-鈷、碳化鉻-鎳鉻涂層最為有

82、效。涂覆后，零件的耐磨損壽命可延長7～100倍，已在大型運(yùn)輸機(jī)的發(fā)動機(jī)上廣泛使用。</p><p>　?、鄯鈬?yán)涂層：涂覆在發(fā)動機(jī)氣流通道的間隙部分。渦輪的徑向間隙每增大0.13毫米，發(fā)動機(jī)單位耗油量約增加0.5%；反之,減少0.25毫米,渦輪效率提高1%。另外，減少壓氣機(jī)的徑向間隙還可以提高發(fā)動機(jī)的抗喘振能力，從而改善飛行安全性。常用的封嚴(yán)涂層要求硬度適中,既有強(qiáng)度又便于刮削?；弁繉雍玩?石墨涂層已獲應(yīng)用。正

83、在研制中的氧化鋯涂層能承受1300°C的高溫。</p><p><b>　　（2）溫控涂層</b></p><p>　　航天器在太空的熱環(huán)境十分惡劣，背陽面溫度可達(dá)-100°C，向陽面可達(dá)+120°C左右。為保證航天員的生命安全和儀器設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，在航天器表面涂敷溫控涂層可以平衡與空間的熱交換，維持艙內(nèi)的正常溫度。已經(jīng)獲得應(yīng)用的溫控涂層

84、有有機(jī)硅氧化鋅、硅酸鉀氧化鋯和氧化鋁涂層。</p><p>　?。?）火箭發(fā)動機(jī)涂層</p><p>　　液體火箭發(fā)動機(jī)一般采用再生冷卻，不需要涂層保護(hù)，但有時為了增加溫降，在燃燒室內(nèi)壁噴涂氧化鋁或氧化鋯隔熱涂層。姿態(tài)控制火箭發(fā)動機(jī)多使用鈮、鉬等難熔合金，必須有防氧化涂層的保護(hù)才能工作?！鞍⒉_”號飛船指揮艙和登月艙的姿態(tài)控制火箭采用涂有二硫化鉬涂層的小型鉬合金發(fā)動機(jī)。</p>

85、<p><b>　　偽裝涂層</b></p><p>　　用以隱蔽軍事目標(biāo)。現(xiàn)代偵察儀器探測能力已大大提高，偽裝涂料不僅要求顏色和外形與背景協(xié)調(diào)，而且要有與背景接近的光譜反射性能。偽裝涂層按適用的波段分為：反紫外、反可見光、反近紅外、反中紅外、反無線電波以及發(fā)展中的反多光譜照相偽裝涂料。飛行器可用單色保護(hù)迷彩偽裝，為使輪廓在復(fù)雜背景地區(qū)更難辨別，常采用變形迷彩。</p&g

86、t;<p><b>　　（4）紡織涂層</b></p><p>　　是一種均勻涂布于織物表面的高分子類化合物。它通過粘合作用在織物表面形成一層或多層薄膜，不僅能改善織物的外觀和風(fēng)格，而且能增加織物的功能，使織物具有防水，耐水壓，通氣透濕，阻燃防污以及遮光反射等特殊功能。</p><p><b>　　（5）硬質(zhì)合金涂層</b><

87、/p><p>　　在切削加工中，刀具性能對切削加工的效率、精度、表面質(zhì)量有著決定性的影響。硬質(zhì)合金刀具性能的兩個關(guān)鍵指標(biāo)—硬度和強(qiáng)度之間總存著矛盾，硬度高的材料強(qiáng)度低，而提高強(qiáng)度往往是以硬度的降低為代價。為了解決硬質(zhì)合金材料中存在的這種矛盾，更好地提高刀具的切削性能，比較有效的一種方法是采用各種涂層技術(shù)在硬質(zhì)合金基體上涂覆上一層或多層高硬度、高耐磨損性能的材料。硬質(zhì)合金刀具表面上的涂層作為一個化學(xué)屏障和熱屏障，減少了

88、硬質(zhì)合金刀具的月牙洼磨損，可以顯著地提高加工效率、提高加工精度、延長刀具使用壽命、降低加工成本?！　⊥繉拥奶攸c(diǎn)是涂層薄膜與刀具基體相結(jié)合，提高刀具的耐磨性而不降低基體的韌性，從而降低刀具與工件的摩擦因素，延長刀具的使用壽命。此外，由于涂層自身的熱傳導(dǎo)系數(shù)比刀具基體和加工材料低的多，能有效減少摩擦所產(chǎn)生的熱量，形成熱屏障，改變熱量的散失途徑，從而降低刀具與工件、刀具與切削之間的熱沖擊和力沖擊，有效地改善刀具的使用性能。刀具磨損機(jī)理研究表

89、明，在高速切削時，刀刃溫度最高可達(dá)900℃，此時刀具磨損不僅是機(jī)械摩擦磨損(刀具后面磨損)，還有粘結(jié)磨損、擴(kuò)散磨損、摩擦氧化磨損(刀具刀刃磨損及月牙洼磨損)和</p><p><b>　　（6）刀具涂層</b></p><p>　　刀具涂層技術(shù)通?？煞譃榛瘜W(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)和物理氣相沉積（PVD）技術(shù)兩大類，分別評述如下。　?、貱VD技術(shù)的發(fā)展　　二十世紀(jì)六

90、十年代以來，CVD技術(shù)被廣泛應(yīng)用于硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀具的表面處理。由于CVD工藝氣相沉積所需金屬源的制備相對容易，可實(shí)現(xiàn)TiN、TiC、TiCN、TiBN、TiB2、Al2O3等單層及多元多層復(fù)合涂層的沉積，涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度較高，薄膜厚度可達(dá)7～9μm，因此到八十年代中后期，美國已有85%的硬質(zhì)合金工具采用了表面涂層處理，其中CVD涂層占到99%；到九十年代中期，CVD涂層硬質(zhì)合金刀片在涂層硬質(zhì)合金刀具中仍占80%以上。　　盡管CVD

91、涂層具有很好的耐磨性，但CVD工藝亦有其先天缺陷：一是工藝處理溫度高，易造成刀具材料抗彎強(qiáng)度下降；二是薄膜內(nèi)部呈拉應(yīng)力狀態(tài)，易導(dǎo)致刀具使用時產(chǎn)生微裂紋；三是CVD工藝排放的廢氣、廢液會造成較大環(huán)境污染，與目前大力提倡的綠色制造觀念相抵觸，因此自九十年代中期以來，高溫CVD技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用受到一定制約?！　“耸甏?，Krupp.Widia開發(fā)的低溫化學(xué)氣相沉積（PCVD）技術(shù)達(dá)到了實(shí)用水平，其工藝處理溫度已降至450</p>

92、;<p>　?、赑VD技術(shù)的發(fā)展　　PVD技術(shù)出現(xiàn)于二十世紀(jì)七十年代末，由于其工藝處理溫度可控制在500℃以下，因此可作為最終處理工藝用于高速鋼類刀具的涂層。由于采用PVD工藝可大幅度提高高速鋼刀具的切削性能，所以該技術(shù)自八十年代以來得到了迅速推廣，至八十年代末，工業(yè)發(fā)達(dá)國家高速鋼復(fù)雜刀具的PVD涂層比例已超過60%。　　PVD技術(shù)在高速鋼刀具領(lǐng)域的成功應(yīng)用引起了世界各國制造業(yè)的高度重視，人們在競相開發(fā)高性能、高可靠性

93、涂層設(shè)備的同時，也對其應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展尤其是在硬質(zhì)合金、陶瓷類刀具中的應(yīng)用進(jìn)行了更加深入的研究。</p><p><b>　　1.9高熵合金涂層</b></p><p>　　隨著工業(yè)的高速發(fā)展，要求耐磨涂層在更為極端工程環(huán)境下應(yīng)用，對涂層材料的硬度、摩擦磨損、抗高溫氧化以及抗腐蝕性能等提出了更高要求。傳統(tǒng)的以TiN為代表的涂層材料已經(jīng)難以適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)需要，新型高熵合金涂

94、層逐漸成為研究熱點(diǎn)。</p><p>　　采用許多技術(shù)如激光熔覆、鎢極氣體保護(hù)弧焊、電化學(xué)沉積和磁控濺射等都能成功制備高熵合金涂層。激光熔覆、鎢極氣體保護(hù)弧焊的原理相似，都是先將混合的純合金粉末涂覆在基片上，再利用高溫快速融化粉末，再快速冷卻，從而制備高熵合金涂層，能實(shí)現(xiàn)涂層的現(xiàn)場生產(chǎn)，工藝簡單。缺點(diǎn)是合金粉末的細(xì)度、混合均勻度要求高、容易生產(chǎn)比較大的應(yīng)力，影響涂層的性質(zhì)。另外，制作過程中要注意氣體保護(hù)，防止氧化

95、。電化學(xué)沉積的缺點(diǎn)是沉積速率慢，沉積體系限制大，不利于推廣。磁控濺射沉積速率高，合金成分容易控制、工藝簡單，不需要后續(xù)處理。缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場生產(chǎn)，儀器昂貴，生產(chǎn)成本較高。目前，實(shí)現(xiàn)磁控濺射的靶材解決方案有2個：利用熔鑄法制作成單一的高熵合金靶材；利用三個以上的鑲嵌靶同時建設(shè)沉積、對設(shè)備要求很高，報道不多。隨著高熵合金涂層制備技術(shù)的優(yōu)化和發(fā)展，必將使其應(yīng)用范圍得到拓展。</p><p>　　2.熔滲高熵合金試驗(yàn)的

96、制備</p><p><b>　　2.1配置高熵合金</b></p><p>　?。?）八組元高熵合金</p><p>　　選取原材料Al、Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti、Si，其純度為99.5%以上，按摩爾比為1:1:1:1:1:0.25:0.75配置合金，用振篩機(jī)充分?jǐn)嚢柚瞥桑ㄈ鐖D2.1）。</p><p>　　

97、（2）五組元高熵合金</p><p>　　選取原材料Al、Cr、Co、Fe、Ni，其純度為99.5%以上，按摩爾比為1:1:1:1:1配置合金，用振篩機(jī)充分?jǐn)嚢柚瞥伞?lt;/p><p><b>　　2.2粘接劑的配置</b></p><p>　　取松香碾碎成細(xì)粉末，與松節(jié)油按照1：3的質(zhì)量比充分混合攪勻，配置成粘接劑（如圖2.2）。</p&

98、gt;<p>　　圖2.1八組元高熵合金 圖2.2粘接劑</p><p>　　2.3熔滲高熵合金試樣的制備</p><p>　?。?）光滑試樣驗(yàn)制備</p><p>　?、賹⑶蚰T鐵圓柱底面在砂紙上反復(fù)打磨，直到表面平整光滑，然后放入煤油中清洗，最后將其用吹分機(jī)吹干。</p><

99、;p>　　②將粘接劑和高熵合金充分混合均勻</p><p>　?、蹖⒒旌衔锞鶆蛲磕ǖ角蚰T鐵打磨光滑的表面</p><p>　?、軐⑶蚰T鐵置于GQ70B型電熱恒溫干燥箱內(nèi)100℃烘干8小時</p><p><b>　　(2)粗糙樣驗(yàn)制備</b></p><p>　　①將球墨鑄鐵圓柱底面的鐵銹打磨掉，用鋸條使其表面

100、變粗糙，然后放入煤油中清洗，最后將其用吹分機(jī)吹干。</p><p>　　②將粘接劑和高熵合金充分混合均勻</p><p>　?、蹖⒒旌衔锞鶆蛲磕ǖ角蚰T鐵打磨光滑的表面</p><p>　　④將球墨鑄鐵置于GQ70B型電熱恒溫干燥箱內(nèi)100℃烘干8小時</p><p>　　3.球墨鑄鐵熔滲高熵合金工藝研究</p><p&g

101、t;　　3.1球墨鑄鐵的定義</p><p>　　球墨鑄鐵是通過球化和孕育處理得到球狀石墨，有效地提高了鑄鐵的機(jī)械性能，特別是提高了塑性和韌性，從而得到比碳鋼還高的強(qiáng)度。球墨鑄鐵是20世紀(jì)五十年代發(fā)展起來的一種高強(qiáng)度鑄鐵材料，其綜合性能接近于鋼，正是基于其優(yōu)異的性能，已成功地用于鑄造一些受力復(fù)雜，強(qiáng)度、韌性、耐磨性要求較高的零件。球墨鑄鐵已迅速發(fā)展為僅次于灰鑄鐵的、應(yīng)用十分廣泛的鑄鐵材料。所謂“以鐵代鋼”，主要指

102、球墨鑄鐵。</p><p>　　3.2球墨鑄鐵的組成結(jié)構(gòu)</p><p>　　鑄鐵是含碳量大于2.11%的鐵碳合金，由工業(yè)生鐵、廢鋼等鋼鐵及其合金材料經(jīng)過高溫熔融和鑄造成型而得到，除Fe外，還含C、Si、Mn、S、P等五大元素及其它合金元素。</p><p>　　鑄鐵中的碳以石墨形態(tài)析出，若析出的石墨呈條片狀時的鑄鐵叫灰口鑄鐵或灰鑄鐵、呈蠕蟲狀時的鑄鐵叫蠕墨鑄鐵、呈

103、團(tuán)絮狀時的鑄鐵叫白口鑄鐵或碼鐵、</p><p>　　而呈球狀時的鑄鐵就叫球墨鑄鐵。球狀石墨對金屬基體的割裂作用比其它形狀石墨小，能使鑄鐵的強(qiáng)度達(dá)到基體組織強(qiáng)度的70～90%，抗拉強(qiáng)度可達(dá)120kgf/mm2，并且具有良好的韌性。</p><p>　　球墨鑄鐵除鐵外的化學(xué)成分通常為：含碳量3.0～4.0%，含硅量1.8～3.2%，含錳、磷、硫總量不超過3.0%和適量的稀土、鎂等球化元素。&

104、lt;/p><p>　　3.3球墨鑄鐵的組織形態(tài)</p><p>　　3.3.1金相拋光機(jī)的介紹</p><p>　　金相拋光機(jī)(如圖3.1)由底座、拋盤、拋光織物、拋光罩及蓋等基本元件組成。電動機(jī)固定在底座上，固定拋光盤用的錐套通過螺釘與電動機(jī)軸相連。拋光織物通過套圈緊固在拋光盤上，電動機(jī)通過底座上的開關(guān)接通電源起動后，便可用手對試樣施加壓力在轉(zhuǎn)動的拋光盤上進(jìn)行拋光。

105、經(jīng)過拋光可以使基體打磨光亮，達(dá)到鏡面效果。在拋光過程中要不斷加入水以及由綠碳化硅與水按照1:20比例配置的拋光液，這樣可以使拋光織物保持所需濕度。</p><p><b>　　圖3.1金相拋光機(jī)</b></p><p>　　將基體用4%的硝酸酒精溶液反復(fù)擦拭試件表面，直至基體表面呈現(xiàn)淡灰色，即腐蝕成功</p><p>　　將基體放在三目倒置金相

106、顯微鏡下觀察組織形態(tài)</p><p>　　3.3.2三目倒置金相顯微鏡介紹</p><p>　　三目倒置金相顯微鏡（如圖3.2）用于鑒別和分析各種金屬和合金材料的組織結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用在工廠或?qū)嶒?yàn)室進(jìn)鑄件質(zhì)量的鑒定；原材料的檢驗(yàn)或材料處理后的金相組織分析；以及對表面噴涂等一些表面現(xiàn)象進(jìn)行研究工作。</p><p>　　本次使用的是三目倒置金相顯微鏡 XJP-6A，實(shí)驗(yàn)中

107、物鏡選用40倍，目鏡12.5倍，在視野中找到圖像以后，裝上單反相機(jī)進(jìn)行拍攝，圖中放大280倍，標(biāo)尺一小格為1微米（如圖3.3）。</p><p>　　圖3.2三目倒置金相顯微鏡</p><p>　　圖3.3球墨鑄鐵基體金相顯微圖</p><p><b>　　3.4球墨鑄鐵性能</b></p><p>　　球鐵鑄件差不多已

108、在所有主要工業(yè)部門中得到應(yīng)用，這些部門要求高的強(qiáng)度、塑性、韌性、耐磨性、耐嚴(yán)重的熱和機(jī)械沖擊、耐高溫或低溫、耐腐蝕以及尺寸穩(wěn)定性等。為了滿足使用條件的這些變化、球墨鑄鐵現(xiàn)有許多牌號，提供了機(jī)械性能和物理性能的一個很寬的范圍。</p><p>　　如國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO1083所規(guī)定的大多數(shù)球墨鑄鐵鑄件，主要是以非合金態(tài)生產(chǎn)的。顯然，這個范圍包括抗拉強(qiáng)度大于800牛頓/平方毫米，延伸率為2%的高強(qiáng)度牌號。另一個極端