畢業設計中碳鋼表面高熵合金涂層工藝及性能研究學生姓名：學號：機械工程系系部：機械工程系材料成型及控制工程專業：材料成型及控制工程指導教師：二○一五年六月誠信聲明本人鄭重聲明：本論文及其研究工作是本人在指導教師的指導下獨立完成的，在完成論文時所利用的一切資料均已在參考文獻中列出。本人簽名：年月日

畢業設計任務書設計題目：中碳鋼表面高熵合金涂層工藝及性能研究系部：機械工程系專業：材料成型及控制工程學號：學生：指導教師（含職稱）：1．課題意義及目標學生應通過本次畢業設計，了解高熵合金的概念、制造方法及工藝、性能特點及應用；了解金屬涂層的制備方法及工藝，了解金屬材料組織和力學性能的檢測方法，為學生在畢業后從事材料成型技術工作打好基礎。2．主要任務（1）查閱20篇以上的科技文獻。（2）完成高熵合金涂層的成分配比及制備工藝，中碳鋼表面高熵合金涂層的制備。（3）中碳鋼表面高熵合金涂層的顯微組織觀察。中碳鋼表面高熵合金涂層的硬度、耐磨性等力學性能測定。（4）通過上述實驗取得中碳鋼表面高熵合金涂層的工藝參數、獲得顯微組織照片及力學性能的實驗數據。（5）完成畢業設計的開題答辯、中期檢查。（6）按照畢業論文的撰寫要求完成畢業論文、參加答辯。3．主要參考資料[1]郭衛凡.多主元高熵合金的研究進展[J]．金屬功能材料，2009，16（1）：49-53.[2]高家誠，李銳.高熵合金研究的新進展[J].功能材料，2008，39（7）：1059-1061.[3]張力.高熵合金的制備及組織與性能[D].吉林大學,2008:11-56.4．進度安排設計各階段名稱起止日期1查閱文獻，完成開題報告12月1日~12月31日2閱讀相關文獻，制定實驗方案1月1日~3月10日3完成中碳鋼表面高熵合金涂層的制備及中期檢查3月11日~4月30日4完成力學性能測定及實驗結果分析5月1日~5月15日5撰寫畢業論文，準備答辯5月16日~6月10日審核人：2014年12月15日前言高熵合金隨著合金業的發展，傳統的以單一組元為基礎發展的合金體系已經逐漸飽和，基于這種情況，冶金科學家就有了新的追求目標，那就是突破以一種或兩種金屬元素為主的傳統合金的發展框架。20世紀90年代，臺灣科學家提出了高熵合金設計思路，這與傳統合金設計理念不同。高熵合金在近幾年的研究中所表現出的各方面的良好性能，引起科學界的普遍關注和積極探索。純金屬的硬度一般都很低，不適合做結構材料。因此目前應用的金屬材料絕大多數都是合金。這種由2種或2種以上的金屬，或金屬與非金屬，經熔煉，燒結或其他方法組合而成并具有金屬特性的合金正得到越來越廣泛的應用。目前常用的合金有錫青銅，低合金鋼，高速鋼，不銹鋼，高溫合金，鋁合金，自熔合金等。幾千年來，隨著合金體系的發展，人類已開發使用的實用合金系共有30余種。目前應用的合金系統大多是以單一組元為基礎發展起來的。例如鋼鐵材料和鋁合金，Fe基，Ni基，Co基的超合金；起源于20世紀50年代的二元基金屬間化合物也是以2種金屬為基礎發展起來的。非晶合金作為一種新型的合金，其優良的特性和廣泛的應用潛能使其制備，發展和應用都得到了普遍關注，但其仍沒有擺脫基于1~2種主要元素來提高其性能的化合物的特點。合金中如果元素過多，會形成許多的金屬間化合物，這些金屬間化合物和復雜相會導致合金性能的惡化，就像脆性和難以加工；同時，材料的組織和成分分析會遇到很大的困難，阻止了合金向多主元方向發展。中國臺灣學者率先脫離傳統合金的發展框架，提出多主元合金高熵合金概念，從此一種新的合金設計理念就誕生了。表面涂層表面涂層是用于改善物體表面性能的涂層材料。常見的表面涂層技術有：1）堆焊技術；2）熔結技術；3）電鍍技術；4）熱噴涂技術；5）塑料噴涂技術；6）粘涂技術：7）涂裝技術：8）物理、化學氣相沉積。表面涂層技術配合優質涂層材料便可達到提高材料表面性能和壽命的目的。尤其是當下高熵合金的發展。高熵合金的制作方法較多，但使用整塊高熵合金作材料，成本依然很高。而表面涂層技術用少量的材料即可達到大量、昂貴的整體材料的性能,同時又極大地降低了產品的加工成本。利用表面涂層技術賦予材料表面耐磨、耐蝕、耐熱、耐疲勞、耐輻射以及光、熱、電、磁等特殊功能,從而達到提高產品質量、延長使用壽命、節約能源的目的。表面涂層在提高材料的使用性能,擴大材料的使用范圍,實現材料功能復合等方面具有重要意義。2高熵合金涂層的制備2.1配制高熵合金2.1.1成分設計及原料準備原材料為高純度（99.99%）的Al、Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti、Si。用真空熔煉爐熔煉AlCrCoFeNiMoTixSiy高熵合金，其成分設計見表2.1.1。表2.1合金成分設計AlCrCoFeNiMoTiSi物質的量(mol)0.0680.0680.0680.0680.0680.0680.0680.068摩爾比11111111相對分子質量2752595659964828質量（g）1.8363.5364.0123.8084.0126.5283.2641.9042.2粘結劑的配制1°：取兩塊松香，將其鑿成細小的顆粒。2°：將顆粒松香研磨成粉末，并用篩子過濾，目的就是要篩出極其微小的松香粉末顆粒。3°：在微電子稱上放一張濾紙，在上面稱得松香10克。4°：在電子稱上稱出空小燒杯的質量，計下其質量后倒入松節油，保證去掉燒杯質量后，松節油的質量是30克。5°：混合10克松香與30克松節油配制成飽和溶液，即表面涂層粘結劑。6°：將配制好的飽和溶液放置一段時間，以備實驗時使用。2.3高熵合金涂層試樣的制備1°：取少量松香和松節油的飽和溶液在燒杯內。2°：取一定量前面已經制備好的高熵合金粉末，放進盛有松香和松節油飽和溶液的燒杯內，用玻璃棒緩慢攪拌，使高熵合金和松香與松節油飽和溶液充分結合，變成泥狀混合物。注意：配制成的涂層不宜過稀或過稠，不利于將其涂到中碳鋼表面。3中碳鋼表面高熵合金涂層工藝研究3.1將高熵合金涂在基體表面1°：取8塊中碳鋼試樣，選擇平整的表面，用砂紙打磨掉上面的氧化鐵銹；2°：將打磨好的中碳鋼試樣，放在煤油中清洗，再用吹風機將中碳鋼表面吹干；3°：將配制好的高熵合金均勻涂在8塊中碳鋼表面，涂層厚度為1.0-2.0mm。用光滑平整的工具輔助涂抹粘結劑，使涂好的涂層表面保持平整光滑，以便于后期打磨其表面，獲得光滑平面，易于觀察其金相組織。3.2烘干中碳鋼的表面涂層為了使表面涂層快速烘干，將8塊試樣放置在恒溫加熱爐里加熱和保溫；1°：將8塊試樣放進恒溫加熱爐內；2°：設定恒溫溫度為100℃。并打開開關開始加熱，使爐內溫度升至100℃；3°：100℃恒溫保存試樣5小時；4°：恒溫保存結束后，不急于進行下一試驗，應擱置試樣較長時間冷卻。3.3在真空加熱爐內高溫加熱，恒溫保存將8塊涂有高熵合金涂層的試樣分成四組，每組進行不同的加熱過程。1°分階段加熱到1200℃，再恒溫保存2小時。1）真空加熱爐程序：表3.1第一組燒結過程中的程序輸入提示符輸入數據意義C010起始溫度T0160從0—500℃升溫60minC02500第一個目標溫度值T0210500℃保溫10minC03500第二個目標溫度值T0360從500—1200℃升溫60minC041200第三個目標溫度值T041201200℃保溫120minC051200第四個目標溫度值T05120從1200—200℃降溫120minC06200第五個目標溫度值T06-121程序運行結束，自然降溫2）對應的T-H曲線圖為圖3.1第一組實驗燒結過程中的溫度變化示意圖2°分階段加熱到1100℃，再恒溫保存2小時。1）真空加熱爐程序：表3.2第二組實驗燒結過程中的程序輸入提示符輸入數據意義C010起始溫度T0160從0—500℃升溫60minC02500第一個目標溫度值T210500℃保溫10minC03500第二個目標溫度值T0360從500—1100℃升溫60minC041100第三個目標溫度值T041201100℃保溫120minC051100第四個目標溫度值T0560從1100—700℃降溫60minC06700第五個目標溫度值T6-121程序運行結束，自然降溫2）對應的T-H曲線圖為圖3.2第二組實驗燒結過程中的溫度變化示意圖3°分階段加熱到1100℃，再恒溫保存3小時。1）真空加熱爐程序：表3.3第三組實驗燒結過程中的程序輸入提示符輸入數據意義C010起始溫度T0160從0—500℃升溫60minC02500第一個目標溫度值T0210500℃保溫10minC03500第二個目標溫度值T0360從500—1100℃升溫60minC041100第三個目標溫度值T041801100℃保溫180minC051100第四個目標溫度值T0560從1100—700℃降溫60minC06700第五個目標溫度值T06-121程序運行結束，自然降溫2）對應的T-H曲線圖為圖3.3第三組實驗燒結過程中的溫度變化示意圖4°分階段加熱到1000℃，再恒溫保存3小時。1）真空加熱爐程序：表3.4第四組實驗燒結過程中的程序輸入提示符輸入數據意義C010起始溫度T0160從0—500℃升溫60minC02500第一個目標溫度值T0210500℃保溫10minC03500第二個目標溫度值T0360從500—1000℃升溫60minC041000第三個目標溫度值T041801000℃保溫180minC051000第四個目標溫度值T0560從1000—700℃降溫60minC06700第五個目標溫度值T06-121程序運行結束，自然降溫2）對應的T-H曲線圖為圖3.4第四組實驗燒結過程中的溫度變化示意圖4中碳鋼表面高熵合金涂層組織研究4.1中碳鋼基體表面（只經過加熱和烘干）的組織研究4.1.1中碳鋼試樣的打磨，拋光1°：準備兩塊中碳鋼試樣；2°：選擇平整表面，進行粗磨；3°：再對該表面進行精磨；4°：進行拋光。4.1.2觀察收集中碳鋼表面的金相組織相圖在XJP-3A光學顯微鏡下，放大500倍后觀察到清晰明顯的組織圖像后，用與顯微鏡配套的照相機拍下清晰的組織照片。如圖：圖4.1中碳鋼表面的金相組織相圖4.2第一組中碳鋼表面（1200℃；保溫2小時）高熵合金涂層試樣4.2.1第一組試樣的打磨，拋光1°：準備第一組的中碳鋼表面高熵合金涂層試樣；2°：先將試樣表面上的高熵合金輕輕敲打脫落；3°：對該表面進行細磨；4°：繼續對該表面進行精磨；5°：進行拋光。4.2.2觀察收集第一組中碳鋼表面高熵合金涂層試樣的金相組織相圖在XJP-3A光學顯微鏡下，放大500倍后觀察到清晰明顯的組織圖像后，用與顯微鏡配套的照相機拍下清晰的組織照片。如圖：圖4.2第一組中碳鋼表面高熵合金涂層試樣的金相組織相圖4.3第二組中碳鋼表面（1100℃；保溫2小時）高熵合金涂層試樣4.3.1第二組試樣的打磨，拋光1°：準備第二組的中碳鋼表面高熵合金涂層試樣；2°：先將表面上的高熵合金輕輕敲打脫落；3°：對該表面進行細磨；4°：繼續對該表面進行精磨。5°：進行拋光。4.3.2觀察收集第二組中碳鋼表面高熵合金涂層試樣的金相組織相圖在XJP-3A光學顯微鏡下，放大400倍后觀察到清晰明顯的組織圖像后，用照相機對準目鏡即可拍下當前的組織圖像。如圖：1010μm圖4.3第二組中碳鋼表面高熵合金涂層試樣的金相組織相圖4.4第三組中碳鋼表面（1100℃；保溫3小時）高熵合金涂層試樣4.4.1第三組試樣的打磨，拋光1°：準備第三組的中碳鋼表面高熵合金涂層試樣；2°：先將表面上的高熵合金輕輕敲打脫落；3°：對該表面進行細磨；4°：繼續對該表面進行精磨。5°：進行拋光。4.4.2觀察收集第三組中碳鋼表面高熵合金涂層試樣的金相組織相圖在XJP-3A光學顯微鏡下，放大400倍后觀察到清晰明顯的組織圖像后，用照相機對準目鏡即可拍下當前的組織圖像。如圖：1010μm圖4.4第三組中碳鋼表面高熵合金涂層試樣的金相組織相圖4.5第四組中碳鋼表面（1000℃；保溫3小時）高熵合金涂層試樣4.5.1第四組試樣的打磨，拋光1°：準備第四組的中碳鋼表面高熵合金涂層試樣；2°：先將表面上的高熵合金輕輕敲打脫落；3°：對該表面進行細磨；4°：繼續對該表面進行精磨。5°：進行拋光。4.5.2觀察收集第四組中碳鋼表面高熵合金涂層試樣的金相組織相圖在XJP-3A光學顯微鏡下，放大400倍后觀察到清晰明顯的組織圖像后，用照相機對準目鏡即可拍下當前的組織圖像。如圖：1010μm圖4.5第四組中碳鋼表面高熵合金涂層試樣的金相組織相圖4.6本章小結（1）1200℃，保溫2小時；1100℃，保溫2小時，不同溫度下保溫相同時間，金相組織對比圖如圖：圖4.61200℃和1100℃下保溫2小時金相組織對比圖由金相組織對比圖可以看出：保溫2小時的情況下，1200℃下燒結比1100℃下燒結高熵合金的滲入更多，且分布更均勻。（2）1100℃，保溫2小時；1100℃，保溫3小時，相同溫度下保溫不同時間，金相組織對比圖如圖：圖4.71100℃下保溫2小時和保溫3小時金相組織對比圖由金相組織對比圖可以看出：1100℃燒結的情況下，保溫3小時比保溫2小時高熵合金的滲入更多，且更均勻。（3）1100℃，保溫3小時；1000℃，保溫3小時，相同溫度下保溫不同時間，金相組織對比圖如圖：圖4.81100℃和1000℃下保溫3小時金相組織對比圖由金相組織對比圖可以看出：保溫3小時的情況下，1100℃下燒結比1000℃下燒結高熵合金滲入更多；但1000℃下燒結比1100℃下燒結高熵合金分布更均勻。觀察五組顯微組織，中碳鋼的組織為鐵素體和珠光體。涂有高熵合金涂層的四組試樣，均能觀察到不同程度的高熵合金滲入層，顯微組織中發亮的地方即為高熵合金滲入層。從第一組試樣到第四組試樣，基本規律是高熵合金滲入層逐漸減小。從第一組到第四組的涂層組織還可以觀察到高熵合金在基體表面分布不是很均勻的現象。綜上，真空燒結的最佳工藝：1）先在恒溫加熱爐里（100℃）加熱和保溫5小時。2）分階段加熱到1200℃，再恒溫保存2小時，即第一組中碳鋼試樣所用的工藝。中碳鋼表面高熵合金涂層力學性能研究5.1中碳鋼表面力學性能研究在前面的觀察中碳鋼表面時，已經經過了打磨、拋光，可直接使用這個表面進行力學性能研究。用顯微維氏硬度儀測得中碳鋼表面硬度數據：測試零件名稱(Nameofthehardwareinthetest):測試零件名稱測試時間(Testtime):2015-04-2218:31:09試樣號(SampleNo.):儀器號(InsturmentNo.):MICRO-586試驗力(TestForce):200力保持時間(Durationofforce):10試驗次數(TestTimes):3顯微鏡倍率(MicroscopeMagnification):40壓頭鋼球直徑(Presssteelballdiameter):2.5試驗值(TestValue):第1次(1times):d1=25.870d2=25.870HV=554.16HB=0.00第2次(2times):d1=24.731d2=24.080HV=622.66HB=0.00第3次(3times):d1=24.568d2=25.219HV=598.49HB=0.00平均值(AverageVlaue):591.77極差(Range):68.50最大值(Max.Vlaue):622.66分散度(Disperse):11.58%最小值(Min.Vlaue):554.16圖5.1基體試樣的表面組織圖像5.2第一組中碳鋼表面高熵合金涂層試樣的表面力學性能研究直接使用觀察第一組中碳鋼表面高熵合金涂層試樣表面組織圖像的表面進行力學性能研究。在顯微維氏硬度儀上測得第一組中碳鋼表面高熵合金涂層試樣的表面硬度數據為：測試零件名稱(Nameofthehardwareinthetest):測試零件名稱測試時間(Testtime):2015-05-1216:26:51試樣號(SampleNo.):儀器號(InsturmentNo.):MICRO-586試驗力(TestForce):200力保持時間(Durationofforce):10試驗次數(TestTimes):3顯微鏡倍率(MicroscopeMagnification):40壓頭鋼球直徑(Presssteelballdiameter):2.5試驗值(TestValue):第1次(1times):d1=23.266d2=29.937HV=524.10HB=500.21第2次(2times):d1=30.751d2=32.215HV=374.17HB=367.17第3次(3times):d1=31.890d2=34.981HV=331.75HB=325.75平均值(AverageVlaue):410.01極差(Range):192.35最大值(Max.Vlaue):524.10分散度(Disperse):46.91%最小值(Min.Vlaue):331.75圖5.2第一組試樣的表面組織圖像5.3第二組中碳鋼表面高熵合金涂層試樣的表面力學性能研究直接使用觀察第二組中碳鋼表面高熵合金涂層試樣表面組織圖像的表面進行力學性能研究。在顯微維氏硬度儀上測得第二組中碳鋼表面高熵合金涂層試樣的表面硬度數據為：測試零件名稱(Nameofthehardwareinthetest):測試零件名稱測試時間(Testtime):2015-05-2217:53:11試樣號(SampleNo.):儀器號(InsturmentNo.):MICRO-586試驗力(TestForce):200力保持時間(Durationofforce):10試驗次數(TestTimes):3顯微鏡倍率(MicroscopeMagnification):40壓頭鋼球直徑(Presssteelballdiameter):2.5試驗值(TestValue):第1次(1times):d1=36.608d2=38.723HV=261.42HB=257.42第2次(2times):d1=38.235d2=35.632HV=271.88HB=266.88第3次(3times):d1=36.283d2=37.259HV=274.29HB=269.29平均值(AverageVlaue):269.20極差(Range):12.87最大值(Max.Vlaue):274.29分散度(Disperse):4.78%最小值(Min.Vlaue):261.42圖5.3第二組試樣的表面組織圖像5.4第三組中碳鋼表面高熵合金涂層試樣的表面力學性能研究直接使用觀察第三組中碳鋼表面高熵合金涂層試樣表面組織圖像的表面進行力學性能研究。在顯微維氏硬度儀上測得第三組中碳鋼表面高熵合金涂層試樣的表面硬度數據為：測試零件名稱(Nameofthehardwareinthetest):測試零件名稱測試時間(Testtime):2015-05-2217:44:53試樣號(SampleNo.):儀器號(InsturmentNo.):MICRO-586試驗力(TestForce):200力保持時間(Durationofforce):10試驗次數(TestTimes):3顯微鏡倍率(MicroscopeMagnification):40壓頭鋼球直徑(Presssteelballdiameter):2.5試驗值(TestValue):第1次(1times):d1=34.656d2=36.934HV=289.46HB=283.61第2次(2times):d1=39.537d2=35.144HV=265.99HB=261.49第3次(3times):d1=36.934d2=40.513HV=247.33HB=243.33平均值(AverageVlaue):267.59極差(Range):42.13最大值(Max.Vlaue):289.46分散度(Disperse):15.74%最小值(Min.Vlaue):247.33圖5.4第三組試樣的表面組織圖像5.5第四組中碳鋼表面高熵合金涂層試樣的表面力學性能研究直接使用觀察第四組中碳鋼表面高熵合金涂層試樣表面組織圖像的表面進行力學性能研究。在顯微維氏硬度儀上測得第四組中碳鋼表面高熵合金涂層試樣的表面硬度數據為：測試零件名稱(Nameofthehardwareinthetest):測試零件名稱測試時間(Testtime):2015-05-2217:48:57試樣號(SampleNo.):儀器號(InsturmentNo.):MICRO-586試驗力(TestForce):200力保持時間(Durationofforce):10試驗次數(TestTimes):3顯微鏡倍率(MicroscopeMagnification):40壓頭鋼球直徑(Presssteelballdiameter):2.5試驗值(TestValue):第1次(1times):d1=44.581d2=47.184HV=176.17HB=-第2次(2times):d1=48.649d2=50.113HV=152.09HB=-第3次(3times):d1=47.672d2=47.184HV=164.88HB=-平均值(AverageVlaue):164.38極差(Range):24.08最大值(Max.Vlaue):176.17分散度(Disperse):14.65%最小值(Min.Vlaue):152.09圖5.5第四組試樣的表面組織圖像5.6本章小結表5.1五組試樣在不同溫度和時間下的硬度對照表硬度值(HV)基體第一組第二組第三組第四組平均值591.77410.01269.20267.59164.38最大值622.66524.10274.29289.46176.17最小值554.16331.75261.42247.33152.09比較以上五組試樣的硬度值，中碳鋼原始組織的硬度最高，高達622.66HV。涂有高熵合金涂層的四組試樣硬度依次降低，并沒有起到預想中的提高中碳鋼表面強硬度的作用。分析出現這種現象的原因：首先，在1000℃及1000℃以上的高溫環境下，中碳鋼基體已經出現軟化現象。其次，在測試維氏硬度的時候，每次都是隨機打點進行該點的硬度測量，我們并不能保證針頭每次都能打在高熵合金滲入層上。6結論6.1組織分析觀察五組顯微組織，中碳鋼的組織為鐵素體和珠光體。涂有高熵合金涂層的四組試樣，均能觀察到不同程度的高熵合金滲入層，顯微組織中發亮的地方即為高熵合金滲入層。從第一組試樣到第四組試樣，基本規律是高熵合金滲入層逐漸減小。從第一組到第四組的涂層組織還可以觀察到高熵合金在基體表面分布不是很均勻的現象。造成高熵合金在基體表面分布不均的原因有以下幾點：（1）在真空燒結時燒結溫度和時間都會對涂層的厚度和均勻性造成影響。溫度越高，等溫時間越長，原子擴散越容易，滲層越厚。（2）高熵合金的組元中Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti等都是高熔點組元，這些組元在中碳鋼中擴散能力較差，和基體原子的結合力也有所不同，不容易形成擴散層，所以會導致滲層變薄。（3）高熵合金粉末混合的不夠均勻，導致試樣表面高熵合金涂層的分布也不均勻，影響了熔滲層分布的均勻性。（4）高熵合金中添加的粘結劑也會對原子的擴散過程造成影響。6.2力學性能分析比較五組試樣的硬度值，中碳鋼原始組織的硬度最高，達到622.66HV。涂有高熵合金涂層的四組試樣硬度依次降低，并沒有起到預想中的提高中碳鋼表面強硬度的作用。分析出現這種現象的原因：首先，在1000℃及1000℃以上的高溫環境下，中碳鋼基體已經出現軟化現象。其次，在測試維氏硬度的時候，每次都是隨機打點進行該點的硬度測量，我們并不能保證針頭每次都能打在高熵合金滲入層上。6.3總結（1）通過多次試驗得到了高熵合金涂層材料的最佳配制工藝：1）松香和松節油按1：3配制成過飽和溶液2）高熵合金八組元按摩爾比Al:Cr:Co:Fe:Ni:Mo:Ti:Si=1:1:1:1:1:1:0.75:0.25），混合攪拌均勻3）將兩者混合成膏狀均勻涂敷在金屬基體上。真空燒結的最佳工藝：1）先在恒溫加熱爐里（100℃）加熱和保溫