高熵合金渗氮层的微观结构和摩擦学性能研究

摘要

人们普遍认为随着合金元素数量的增加，在合金内部很容易形成复杂的金属间化合物，导致合金的机械性能较差。近些年来，高熵合金由于其优异的性能和简单的组织结构引起了越来越多学者的注意。目前，学者们对于高熵合金的研究主要集中在优化合金的微观结构和机械性能上，对高熵合金的表面性能和摩擦磨损性能的研究是非常少的。 本文采用真空电弧熔炼技术获得铸态高熵合金，采用 LDMC-100A 型脉冲离子氮化炉在高熵合金表面渗氮。在室温环境下，摩擦磨损实验是在MFT-R4000型往复摩擦磨损试验机上分别在干摩擦、去离子水和酸雨环境下进行。实验过程中，采用3D白光衍射仪、带有EDS能谱分析仪的扫描电镜(SEM)分析仪、XPS、X射线衍射仪(XRD)等仪器来分析合金的微观结构和表面形貌。详细地讨论环境因素对合金渗氮层的摩擦磨损性能的影响。研究结果表明： (1) 铸态高熵合金Al1.3CoCuFeNi2是由简单的FCC和BCC两相组成，而渗氮后的合金表面上形成了大量的AlN和Fe4N相；另外，渗氮过后合金的硬度得到了大幅度地提高，由铸态条件下的340 HV提高到渗氮后的587 HV。 (2) 铸态高熵合金Al1.3CoCuFeNi2的磨损率在去离子环境下达到最小值，而其平均摩擦系数在酸雨条件下取到最小值。对于渗氮后的高熵合金，其磨损率和平均摩擦系数都在酸雨环境中得到最小值。 (3) 铸态高熵合金AlCoCrFeNi的微观组织为单相的BCC结构。渗氮过后，合金表面形成大量的硬质相，主要有AlN、CrN和 Fe4N。渗氮前后的硬度值分别为522 HV和720 HV。 (4) 在相同条件下，和铸态合金相比，渗氮后的高熵合金 AlCoCrFeNi具有较低的磨损率。高熵合金渗氮前后在酸雨环境下获得最小的磨损率，分别为7×10-5 mm3/(N m)和2.8×10-5mm3/(N m)。高熵合金渗氮后在酸雨条件下的平均摩擦系数值是最小的，为0.213。 (5) 在摩擦磨损过程中，氧化膜和渗氮层的存在一定程度上都避免了摩擦副与合金基体的直接接触，这种现象有助于降低合金的磨损率，提高了合金的耐磨性能。 (6) 去离子水的润滑作用降低了合金表面的磨粒磨损。然而，酸雨的腐蚀性在一定程度上促进了磨粒磨损，并且酸雨中的氯离子很容易和合金基体的金属元素形成金属氯化物。但是整体来说，去离子水和酸雨的润滑作用降低了合金的磨损率。

目录

第一个书签之前

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 高熵合金概述

1.2.1 高熵合金的来源和定义

1.2.2 高熵合金的特征

1.3 高熵合金优异的力学性能

1.4 高熵合金的研究现状

1.4.1 高熵合金相结构研究

1.4.2 高熵合金的渗氮研究

1.4.3 高熵合金的摩擦学研究现状

1.5 本文选题意义及研究思路

第二章 实验方法和实验仪器

2.1 样品制备

2.1.1 样品制备

2.1.2 高熵合金渗氮过程

2.2 性能测试

2.2.1 硬度测试

2.2.2 摩擦磨损性能测试

2.3 材料表征

2.3.1 X射线衍射

2.3.2 X射线光电子能谱

2.3.3 辉光放电光谱仪

2.3.4 扫描电镜和能谱分析

第三章 高熵合金渗氮前后的组织结构

引言

3.1 AlCoCrFeNi渗氮前的组织结构

3.1.1 XRD分析

3.1.2 组织形貌分析

3.2 AlCoCrFeNi渗氮后的组织结构

3.2.1 XRD分析

3.2.2 组织形貌分析

3.2.3 渗氮层性能分析

3.3 Al1.3CoCuFeNi2渗氮前的组织结构

3.3.2 组织形貌分析

3.4 Al1.3CoCuFeNi2渗氮后的组织结构

3.4.1 XRD分析

3.4.2 组织形貌分析

3.4.3 渗氮层性能分析

3.5 本章小结

第四章 合金Al1.3CoCuFeNi2渗氮前后的摩擦磨损性能

引言

4.1 Al1.3CoCuFeNi2渗氮前后在干燥环境下的摩擦磨损

4.2 Al1.3CoCuFeNi2渗氮前后在去离子水环境下的摩擦磨损

4.3 Al1.3CoCuFeNi2渗氮前后在酸雨环境下的摩擦磨损

4.4 Al1.3CoCuFeNi2渗氮后在酸雨环境下耐腐蚀性和XPS检测

4.5 本章小结

第五章 合金AlCoCrFeNi渗氮前后的摩擦磨损性能

5.1 AlCoCrFeNi渗氮前后在干燥环境下的摩擦磨损

5.2 AlCoCrFeNi渗氮前后在去离子水环境下的摩擦磨损

5.3 AlCoCrFeNi渗氮前后在酸雨环境下的摩擦磨损

5.4 AlCoCrFeNi渗氮后在酸雨环境下耐腐蚀性和XPS检测

5.4.1 腐蚀性能分析

5.4.2 XPS分析

5.5 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文