畢業(yè)論文-鑄鐵表面高熵合金涂層工藝及性能研究

畢業(yè)設(shè)計鑄鐵表面高熵合金涂層工藝及性能研究學(xué)生姓名：系部：機(jī)械工程系專業(yè)：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化指導(dǎo)教師：二零一五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(dǎo)教師的指導(dǎo)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(xiàn)中列出。本人簽名：年月日

畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書設(shè)計題目：鑄鐵表面高熵合金涂層工藝及性能研究系部：機(jī)械工程系專業(yè)：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化學(xué)學(xué)生指導(dǎo)教師（含職稱1．課題意義及目標(biāo)高熵合金是由5至13種金屬或者非金屬組成，元素都按照等摩爾比或者接近等摩爾比的方式所進(jìn)行混合所形成一種合金，其中每一種元素的含量大都在5%到35%之間，但是沒有一種元素含量會超過50%。這些多組元的等摩爾比的合金在相圖的中間部分形成的，因為在這一相區(qū)形成固溶體是可以穩(wěn)定存在。傳統(tǒng)的合金大都是在一種或者兩種主耍元素的基礎(chǔ)上加入一些合金元素從而得到性能不同的合金。高強度、高硬度、耐磨、耐腐蝕等性能特點，所以通過涂層工藝將高熵合金與鑄鐵表面相結(jié)合，從而提升鑄鐵的材料性能。目標(biāo)：1)收集高熵合金的相關(guān)材料；2)了解金屬表面涂層的制備工藝，3)了解金屬表面涂層的制備工藝。2．主要任務(wù)1）掌握高熵合金的概念、性能特點、制造工藝。2）制定高熵合金涂層的成分配比及制備工藝3）鑄鐵表面高熵合金涂層的制備。4）鑄鐵表面高熵合金涂層的顯微組織觀察。5）鑄鐵表面高熵合金涂層的硬度、耐磨性等力學(xué)性能測定。通過上述實驗取得鑄鐵表面高熵合金涂層的工藝參數(shù)、獲得顯微組織照片及力學(xué)性能的實驗數(shù)據(jù)。3．主要參考資料郭衛(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）：49-53.葉均蔚.高熵合金的發(fā)展[J].華岡工程學(xué)報，2011，（27）：1-18.張力.高熵合金的制備及組織與性能[D].吉林大學(xué),2008:11-56.4．進(jìn)度安排設(shè)計各階段名稱起止日期1查閱文獻(xiàn)，完成開題報告2014.12.01至2014.12.312閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，制定實驗方案2015.01.01至2015.03.103完成鑄鐵表面高熵合金涂層的制備及中期檢2015.03.11至2015.04.304完成力學(xué)性能測定及實驗結(jié)果分析2015.05.01至2015.05.155撰寫畢業(yè)論文，準(zhǔn)備答辯2015.05.16至2015.06.10審核人：年月日緒論引言幾千年來,金屬材料發(fā)展對人類的文明進(jìn)步有著極大影響。人類從石器時代直到進(jìn)入鋼鐵時代,總是把金銀銅鐵錫等些金屬當(dāng)作生產(chǎn)工具和生活用品、武器的主要原材料。工業(yè)革命后,特別是近一百年來,人類開發(fā)的合金系統(tǒng)猶如雨后春筍，加工的工藝更是突飛猛進(jìn)。這一切造就了當(dāng)今制造業(yè)的空前繁榮局面,也極大提高了人類生活水平。目前人類開發(fā)并實用化的合金系有30余種，每一個合金系大都是以某一種元素為主體(含量超過50%),比如以鋁為主的鋁合金和以鐵為主的鋼等等。傳統(tǒng)合金從開發(fā)與研究始終被限在以一元為主思路內(nèi)，上百年發(fā)展已經(jīng)讓新合金系的探索工作到了山窮水盡的地步。然而,合金中如果所含的添加元素過多,將會導(dǎo)致合金內(nèi)析出了大量復(fù)雜的金屬間化合物，尤其是脆性化合物，將嚴(yán)重的降低合金的力學(xué)性能。對合金成分分析和性能的控制也帶來極大困難。所以傳統(tǒng)的理論認(rèn)為，合金元素種類應(yīng)該越少越好。傳統(tǒng)的合金體系一般是以一種元素或者兩種元素作為它們的主要組元，而其它元素含量相對較少，遠(yuǎn)低于其主元的含量。目前人類已經(jīng)開發(fā)并實用化以一元為主的合金系有30余種，每一合金系都是以某一種元素為主體（含量超過50%）。加入次要主元主要是為使合金達(dá)到某些特定性能的需求，例如提高合金的強度和硬度，提高合金的塑性韌性，提高合金的耐腐蝕性和耐高溫性能等等?；谌藗儗ξ锢硪苯饘W(xué)和二元、三元相圖的理解，加入的主元越多后，人們認(rèn)為，當(dāng)合金體系的主元數(shù)愈來愈多的情況下，將會導(dǎo)致生成諸多的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的金屬間化合物或者脆性相，從而不利于合金的綜合性能，這導(dǎo)致我們對合金的組織和性能的研究帶來一定的麻煩與困難。然而2004年中期，臺灣學(xué)者葉均蔚突破了傳統(tǒng)的合金體系設(shè)計框架，提出了一種全新的合金設(shè)計理論，即多主元高熵合金。高熵合金的理論依據(jù)現(xiàn)在學(xué)術(shù)上很多研究者定義多主元高熵合金一般由五種或者五種以上主元素組成，每種元素按等原子比或者接近摩爾比組成，為了拓寬合金設(shè)計的范圍，高熵合金的每種主元的含量在5%-35%之間。在高熵合金中，合金的混合熵高于合金的熔化熵，所以一般情況下形成的是高熵固溶體。熵是熱力學(xué)種衡量體系混亂程度的一個常用物理量，一個體系的熵越高表示該體系的混亂程度就越大。根據(jù)波爾斯曼（Boltzmann）關(guān)于熵變與系統(tǒng)混亂度關(guān)系的假設(shè)，n種等摩爾元素混合形成固溶體時產(chǎn)生的摩爾熵變（配位熵）ΔSconf可以通過以下的公式表示：ΔSconf=-klnw=-R(1/nln1/n+1/nln1/n+…1/nln/n)=R(1/nln1/n+1/nln1/n+…1/nln/n)=Rlnn其中k代表玻爾茲曼常數(shù)，w代表混亂度，R代表摩爾氣體常數(shù)：R=8.3144J/（K?mol）。由以上公式可知，當(dāng)n取2時，即兩種元素以等原子數(shù)混合時，它的等摩爾合金的混合熵ΔSconf是0.693R，當(dāng)n為3、4、5、6時，它們的等摩爾合金的混合熵ΔSconf分別為1.097R、1.386R、1.609R、1.709R。如果考慮原子振動組態(tài)、電子組態(tài)、磁矩組態(tài)等對熵的正貢獻(xiàn)，等摩爾合金的混合熵比計算的還要大。為了發(fā)揮多主元的高熵效應(yīng)，一般定義n≥5的合金為高熵合金。綜上所述，等摩爾比合金的摩爾熵（ΔSconf）隨著合金主元數(shù)n的增加而增加。圖1.1為等原子比合金混合熵與主元數(shù)的關(guān)系曲線。圖1.1等原子比合金混合熵ΔSconf與主元數(shù)n的關(guān)系曲線1.3高熵合金的多主元效應(yīng)高熵合金目前主要有四大效應(yīng)：熱力學(xué)上的高熵效應(yīng)：高熵是高熵合金的鮮明特色，由圖1.1就可以看出，高熵合金的熵明顯要高于傳統(tǒng)金屬合金，且當(dāng)合金組元數(shù)超過13時，混合熵增加不明顯。根據(jù)熱力學(xué)知識，吉布斯自由能變、焓變、絕對溫度T及熵變之間的關(guān)系為：（1.9）對于一個系統(tǒng)，吉布斯自由能變越小整個體系越穩(wěn)定。因而在多主元高熵合金系統(tǒng)中，合金的組元數(shù)越多，對應(yīng)的混合熵越大，吉布斯自由能變越小，系統(tǒng)就越趨于穩(wěn)定。當(dāng)高熵合金組元數(shù)足夠多時，混合熵很大，高熵效應(yīng)就會抑制金屬間化合物及復(fù)雜化合物的形成，而促進(jìn)簡單固溶體的形成。結(jié)構(gòu)上的晶格畸變效應(yīng)：當(dāng)形成二元固溶體時，一定會發(fā)生晶格畸變?？梢韵胂蠖嘀髟母哽睾辖鹨欢〞l(fā)生嚴(yán)重的晶格畸變，嚴(yán)重的晶格畸變必然會影響到材料的力學(xué)，熱學(xué)，電學(xué)等一系列性能，如高硬度，高耐磨性，高熱阻，高電阻。動力學(xué)上的遲滯效應(yīng)：原子擴(kuò)散的相變需要元素之間的協(xié)同擴(kuò)散才能達(dá)到不同相的平衡分離。這種必要的協(xié)同擴(kuò)散，以及阻礙原子運動的晶格畸變，都會限制高熵合金中的有效擴(kuò)散速率。在高熵合金的鑄造過程中，冷卻的相分離在高溫區(qū)間通常被抑制而會延遲到低溫區(qū)間，這也就是鑄態(tài)的高熵合金基體中往往出現(xiàn)納米析出物的原因所在；在鍍膜技術(shù)中，緩慢擴(kuò)散效應(yīng)體現(xiàn)在多組元系統(tǒng)容易形成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，因為晶態(tài)相的形核和生長過程都會受到抑制。性能上的“雞尾酒”效應(yīng)：高熵合金的“雞尾酒”效應(yīng)是指其多種元素的本生特性和它們之間相互作用使高熵合金呈現(xiàn)的一種復(fù)雜效應(yīng)。由于包含多種主要元素，高熵合金可以看作是原子尺度的復(fù)合材料。舉例來說，如果使用較多輕元素，合金的總體密度將會減??；如果使用較多的抗氧化元素，如鋁或硅，合金的高溫抗氧化能力就會提高。1.4高熵合金的組織和結(jié)構(gòu)事實證明由于高熵的特色，高熵合金只會形單一的體心立方相（BCC）或面心立方相（FCC）或兩者的混合相，甚至形成非晶相或納米析出。由熱力學(xué)知識可知，在高熵合金中，由于高的混合熵而導(dǎo)致明顯很低的自由能，從而導(dǎo)致可形成結(jié)構(gòu)簡單的固溶體，其對應(yīng)的高熵合金不存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的相，如電子化合物，間隙化合物，從而其合金的優(yōu)越性是顯而易見的。高熵合金中常有非晶相存在，這是由于組元數(shù)較多，會造成嚴(yán)重的晶格畸變，原子無法達(dá)到亂中有序，從而成為非晶態(tài)。非晶態(tài)的金屬具有諸多特殊物理狀態(tài)、化學(xué)性質(zhì)，如高的強度，好的彈性，高的硬度、韌度，抗蝕性好，導(dǎo)磁性強，電阻率高等。納米析出是高熵合金的另一重要特色。一般地，在鑄態(tài)或均勻化退火后甚至是完全退火后，可在高熵合金中觀察到納米結(jié)構(gòu)。高熵合金是傾向于在簡單晶體結(jié)構(gòu)的晶體中彌散分布納米晶體結(jié)構(gòu)相，微結(jié)構(gòu)納米化可增進(jìn)許多力學(xué)、電化學(xué)及物理性能。1.5高熵合金的性能與應(yīng)用傳統(tǒng)合金是以一種元素為主，常常通過合金化來獲得要求的性能。當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的當(dāng)屬鋼，其次有鋁合金、銅合金、鈦合金和軸承合金等。以鋼來分析其特性：（1）晶體結(jié)構(gòu)是簡單的（2）其強化機(jī)制有很多種，如固溶強化、位錯強化、細(xì)晶強化、析出強化（3）耐蝕性方面，鋼的不銹很大程度是由于合金化原因：加入了Cr、Ni、Si等元素、形成了單相固溶體、形成了鍍化膜（4）耐熱性則通過合金化，加入相應(yīng)的元素獲得相應(yīng)的耐熱鋼（5）耐磨性，最典型的是高錳鑄，其耐磨的原因則是水韌處理后的鑄件產(chǎn)生表面強化。當(dāng)然，其他合金也有相應(yīng)的特殊性能，在航空、航天、汽車、機(jī)械制造、船舶及化學(xué)工業(yè)中已大量應(yīng)用的鋁合金；制作發(fā)電機(jī)﹑母線﹑電纜﹑開關(guān)裝置﹑變壓器等電工器材和熱交換器﹑管道﹑太陽能加熱裝置的平板集熱器等導(dǎo)熱器材的銅合金等等。但有時很難同時集中優(yōu)秀性能，致使應(yīng)用有缺陷不足。而沒有任何一種元素作為主導(dǎo)的高熵合金，是多主元的優(yōu)異集合體，具有眾多優(yōu)異的性能。1.5.1高熵合金的性能高熵合金的設(shè)計不同于傳統(tǒng)合金，具有獨特的結(jié)構(gòu)、性能：晶體結(jié)構(gòu)、組織：前文說過，高熵合金其顯微結(jié)構(gòu)簡單，為單一體心立方相或面心立方相或兩者的均勻混合物。在鑄態(tài)和完全回火態(tài)會出現(xiàn)納米析出物甚至非晶態(tài)。高熵特性：熱力學(xué)上，系統(tǒng)的熵值隨組元數(shù)的增多而增大，熵值越大，系統(tǒng)越趨于穩(wěn)定。所以高熵合金相對于傳統(tǒng)合金性質(zhì)狀態(tài)較穩(wěn)定。強化機(jī)制：高熵合金結(jié)構(gòu)簡單，有很強的固溶強化作用；其組元數(shù)目多，存在嚴(yán)重的晶格畸變，阻礙位錯運動而提高了強度；另外納米析出物和非晶態(tài)也阻礙位錯的運動，所以高熵合金有很高的強、硬度。耐磨性：一般材料的硬度越高，材料越耐磨。高熵合金由于一系列的強化效應(yīng)具有很高的強度和硬度，所以高熵合金具有很好的耐磨性。耐腐蝕性：高熵合金是多主元合金，其中的一些元素容易形成致密氧化膜，并且由于高熵具有簡單顯微結(jié)構(gòu)、納米微晶、非晶等特點，從而產(chǎn)生了很好的耐蝕性耐熱性：高熵合金的組元數(shù)很多，混亂度很大，高溫下的混亂度更大，而其在高溫下具有高的強度和硬度，故而高熵合金有很好的耐熱性。另外，有的研究也表明，高熵合金在高溫下具有好的耐回火性。軟磁性和高電阻率：高熵合金中的一些組元元素具有一定的磁性能，在合金體系中與其它組元相互作用時，合金也可能具有一定的磁性能；而在高熵合金薄膜中，組元元素的不同以及形成薄膜的顆粒尺寸等因素的影響，對合金的電磁性有一定的影響。1.5.2高熵合金的應(yīng)用高熵是多主元合金的主要特征，擁有很多傳統(tǒng)合金所不具有的優(yōu)異特性，通過適當(dāng)?shù)某煞衷O(shè)計，可以獲得優(yōu)異的力學(xué)性能和光學(xué)、磁學(xué)、電學(xué)等物理特性的組合，這使得高熵合金應(yīng)用層次極為廣泛。同時高熵合金被認(rèn)為是有巨大發(fā)展?jié)摿Φ男滦秃辖痼w系，不但可以設(shè)計出大量的高技術(shù)高性能材料，還可以采用傳統(tǒng)的熔鑄、鍛造、粉末冶金、噴涂法及鍍膜等方法來制作塊材、涂層。就其具體應(yīng)用來看如：高硬度且耐磨耐腐蝕的工具、刀具、磨具；高爾夫球頭擊打面、油壓氣壓桿、鋼管的硬面；高頻變壓器、馬達(dá)的各種磁性器件、喇叭；化學(xué)工廠、船艦的耐腐蝕高強度材料；渦輪葉片、焊接材料、熱交換器及高溫爐的耐火材料，超高大樓的耐火股價和微機(jī)電材料。1.6本文的研究與意義綜上所述，自高熵合金的概念提出之后，得到了國內(nèi)外學(xué)者廣泛的研究。高熵合金作為顯微結(jié)構(gòu)簡單、高硬度、高強度、耐磨性、耐熱性、耐蝕性、高電阻率等的集合體，高熵合金有很多良好的性能，在制造業(yè)強大的現(xiàn)今，高熵合金是多主元的優(yōu)異集合體，具有眾多優(yōu)異的性能。這是傳統(tǒng)合金所不具備的，鑄鐵作為應(yīng)用廣泛的鐵碳合金有其鑄造性能好，成本低，生產(chǎn)方便的有點，而在很多性能方面并不具有突出的特點，高熵合金作為涂層熔和入鑄鐵表面，使鑄鐵的性能有了明顯的提升，使其能滿足更高的使用要求，同時大幅度降低使用成本，充分發(fā)揮了鑄鐵和高熵合金的優(yōu)越性，將高熵合金和鑄鐵有機(jī)的結(jié)合在一起，對制造業(yè)的發(fā)展有深遠(yuǎn)的意義。2高熵合金涂層的制備2.1配置高熵合金。2.1.1成分設(shè)計及原料準(zhǔn)備原材料為高純度（99.99%）的Al、Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti、Si用真空燒結(jié)爐AlCrCoFeNiMoTixSiy高熵合金，其成分設(shè)計見表2.1.1。表2.1合金成分設(shè)計AlCrCoFeNiMoTiSi物質(zhì)的量(mol)0.0680.0680.0680.0680.0680.0680.0680.068摩爾比11111111相對分子質(zhì)量2752595659964828質(zhì)量（g）1.8363.5364.0123.8084.0126.5283.2641.9042.2粘合劑的配置松節(jié)油從松香水蒸汽蒸餾。松節(jié)油是最古的涂料溶劑，有利于漆流平性，是其所含的高餾份松油，它是一種揮發(fā)性的油，無色或淡黃色液體，有特殊氣味。廣泛用于油漆、制革等工業(yè)，在醫(yī)藥上用作抗毒劑、皮膚興奮劑，還可制香料。松香的作用及用途

，松香的作用:要根據(jù)分類來分析其作用

按原料來源和加工方法的不同，松香可分為：脂松香、木松香、浮油松香。松節(jié)油可分為：脂松節(jié)油、木松節(jié)油、硫酸鹽松節(jié)油。

(1)脂松香

使用采割的形式收集松脂再加工提煉而成的松香叫脂松香。其特點是對松樹能連續(xù)采割，有利于資源的充分利用。中國松脂資源豐富，是脂松香產(chǎn)量最大的國家，脂松香產(chǎn)量在相當(dāng)長時間內(nèi)仍會保持35萬噸以上。所以，估計今后20-30年內(nèi)，世界脂松香年產(chǎn)量仍可保持在65-70萬噸。(2)木松香

是將松根或樹干切碎，用溶劑浸提出樹脂，經(jīng)加工提煉出來的松香。主要產(chǎn)于美國，原料依賴于該國東南部的原始松林，現(xiàn)在由于森林資源減少，導(dǎo)致木松香原料短缺，產(chǎn)量由1950年31.6萬噸，降至目前2萬噸。前蘇聯(lián)也生產(chǎn)木松香，由于資源減少，產(chǎn)量也急劇下降。估計世界現(xiàn)木松香產(chǎn)量只占松香總量5%以下。

(3)浮油松香

來自木材制漿造紙工業(yè)，從硫酸鹽制漿中回的黑液經(jīng)加工而得，原來在性能上不如脂松香，后來由于質(zhì)量不斷提高，如今性能己與脂松香相近。由于造紙所用松木比例減少，降低了浮油分餾所得松香產(chǎn)率（從27%降至21%）。所以近年來雖然粗浮油分餾能力增加，但是浮油松香產(chǎn)量仍只保持相對穩(wěn)定，約占松香總量30%-35%。松香和松節(jié)油可以做粘合劑工業(yè)，以松香酯和氫化松香酯為基本原料的粘合劑，常用作熱熔性粘合劑、壓敏粘合劑和橡膠增粘劑，無論是橡膠粘合劑還是合成樹脂基粘合劑，或植物成分粘合劑中，常用松香作為粘合劑成分。松香基材料一般適用于熱熔性粘合劑、壓敏粘合劑、橡膠增粘劑和膠粘劑等，特別是熱熔性粘合劑的迅速增加，松香在粘合劑工業(yè)中的使用量顯著增加。松香的加入主要是增加粘合劑的強度、柔軟性和粘合性能。綜上所述，松香和松節(jié)油在做粘合劑方面有十分突出的作用，所以我的實驗所需的粘合劑以松香1比松節(jié)油3的比例進(jìn)行混合，但松香不是很容易就溶入松節(jié)油，1、先將松香搗碎成小塊并研磨成粉末，以便于很好的與松節(jié)油充分混合，2、使用精度為0.001克的電子稱重器稱20克的松香，用錐形瓶稱量60克的松節(jié)油，最后減去錐形瓶的重量，得到60的松節(jié)油，3、將松香和松節(jié)油充分混合，使用玻璃棒充分?jǐn)嚢?，在封閉的空間靜止5日，4、在做涂層的膏體前，再次使用玻璃棒充分?jǐn)嚢枋蛊涑浞謸u勻。2.3高熵合金涂層試樣的制備第一步：取兩塊松香，將其砸成細(xì)小的顆粒。第二步：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。第三步：在微電子稱上放一張濾紙，在上面稱得松香10克。第四步：在電子稱上稱出空小燒杯的質(zhì)量，計下其質(zhì)量后倒入松節(jié)油，保證去掉燒杯質(zhì)量后，松節(jié)油的質(zhì)量是30克。第五步：混合10克松香與30克松節(jié)油配制成飽和溶液，即表面涂層粘結(jié)劑。3鑄鐵表面高熵合金涂層工藝研究3.1高溫真空燒結(jié)爐的介紹1、真空燒結(jié)是指粉末、粉末壓坯或者其他形式的物料在真空環(huán)境下，在適當(dāng)?shù)臏囟认率軣?，借助于原子遷移實現(xiàn)顆粒間的聯(lián)結(jié)。燒結(jié)目的是使多孔的粉末壓坯具有一定的結(jié)構(gòu)和性能的合金。

2、真空燒結(jié)的優(yōu)點：

2.1

真空燒結(jié)能夠減少氣氛中的有害成分（水、氧、氮及其他的雜質(zhì)等）對物料的污染，避免出現(xiàn)脫碳、滲碳、還原、氧化和滲氮等一系列反應(yīng)。。

真空環(huán)境是其他燒結(jié)形式所不具備的（當(dāng)爐內(nèi)真空度達(dá)到1.3*10-1帕斯卡時，爐內(nèi)剩余氣體相當(dāng)于純度為99.99987%氬氣）；

2.2

真空燒結(jié)能夠使物料在出現(xiàn)液相之前使顆粒氧化膜完全排除，從而改善了液相同碳化物相的濕潤性，改善了合金組織結(jié)構(gòu)，提高了合金性能；

2.3

由于真空環(huán)境下壓坯孔隙內(nèi)氣體量的降低，氣體產(chǎn)物更易排出孔隙以及溶于金屬中氣體的脫除，使物料的致密性更高；

2.4

真空燒結(jié)能夠使材料的耐磨性及強度更高；

2.5

真空燒結(jié)對降低產(chǎn)品成本也有顯著效果；

3、真空燒結(jié)爐的用途：

真空燒結(jié)爐主要用于粉末冶金制品、金屬注射成型制品、不銹鋼基、硬質(zhì)合金、超合金、高比重合金、陶瓷材料、磁性材料、釹鐵硼等的燒結(jié)。3.2涂層工藝3.2.1將高熵合金涂在基體表面第一步：取8塊鑄鐵試樣，選擇平整的表面，用砂紙打磨掉上面的氧化鐵銹；第二步：將打磨好的鑄鐵試樣，放在煤油中清洗，再用吹風(fēng)機(jī)將鑄鐵材表面吹干；第三步：粘結(jié)劑均勻涂在8塊鑄鐵表面，涂層厚度為1.0-2.0mm。用光滑平整的工具輔助涂抹粘結(jié)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。3.2.2烘干鑄鐵的表面涂層為了使表面涂層快速烘干，并且更好地貼在鑄鐵表面，將8塊試樣放置在恒溫加熱爐里加熱和保溫；第一步：將8塊試樣放進(jìn)恒溫加熱爐內(nèi)；第二步：設(shè)定恒溫溫度為100℃。并打開開關(guān)開始加熱，使?fàn)t內(nèi)溫度升至100℃；第三步：100℃恒溫保存試樣5小時；第四步：恒溫保存結(jié)束后，不急于進(jìn)行下一試驗，應(yīng)擱置試樣較長時間冷卻。3.2.3在真空加熱爐內(nèi)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(jìn)行不同的加熱過程。分階段加熱到1200℃，再恒溫保存2小時。真空加熱爐程序：表3.1第一組燒結(jié)過程中的程序輸入提示符輸入數(shù)據(jù)意義C010起始溫度T0160從0—500℃升溫60minC02500第一個目標(biāo)溫度值T0210500℃保溫10minC03500第二個目標(biāo)溫度值T0360從500—1200℃升溫60minC041200第三個目標(biāo)溫度值T041201200℃保溫120minC051200第四個目標(biāo)溫度值T05120從1200—200℃降溫120minC06200第五個目標(biāo)溫度值T06-121程序運行結(jié)束，自然降溫對應(yīng)的T-H曲線圖為圖3.1第一組實驗燒結(jié)過程中的溫度變化示意圖分階段加熱到1100℃，再恒溫保存2小時。真空加熱爐程序：表3.2第二組實驗燒結(jié)過程中的程序輸入提示符輸入數(shù)據(jù)意義C010起始溫度T0160從0—500℃升溫60minC02500第一個目標(biāo)溫度值T210500℃保溫10minC03500第二個目標(biāo)溫度值T0360從500—1100℃升溫60minC041100第三個目標(biāo)溫度值T041201100℃保溫120minC051100第四個目標(biāo)溫度值T0560從1100—700℃降溫60minC06700第五個目標(biāo)溫度值T6-121程序運行結(jié)束，自然降溫對應(yīng)的T-H曲線圖為圖3.2第二組實驗中的燒結(jié)過程中的溫度變化示意圖分階段加熱到1100℃，再恒溫保存3小時。真空加熱爐程序：表3.3第三組實驗燒結(jié)過程中的程序輸入提示符輸入數(shù)據(jù)意義C010起始溫度T0160從0—500℃升溫60minC02500第一個目標(biāo)溫度值T0210500℃保溫10minC03500第二個目標(biāo)溫度值T0360從500—1100℃升溫60minC041100第三個目標(biāo)溫度值T041801100℃保溫180minC051100第四個目標(biāo)溫度值T0560從1100—700℃降溫60minC06700第五個目標(biāo)溫度值T06-121程序運行結(jié)束，自然降溫對應(yīng)的T-H曲線圖為圖3.3第三組實驗燒結(jié)過程中的溫度變化示意圖分階段加熱到1000℃，再恒溫保存3小時。真空加熱爐程序：表3.4第三組實驗燒結(jié)過程中的程序輸入提示符輸入數(shù)據(jù)意義C010起始溫度T0160從0—500℃升溫60minC02500第一個目標(biāo)溫度值T0210500℃保溫10minC03500第二個目標(biāo)溫度值T0360從500—1000℃升溫60minC041000第三個目標(biāo)溫度值T041801000℃保溫180minC051000第四個目標(biāo)溫度值T0560從1000—700℃降溫60minC06700第五個目標(biāo)溫度值T06-121程序運行結(jié)束，自然降溫對應(yīng)的T-H曲線圖為圖3.4第四組實驗燒結(jié)過程中的溫度變化示意圖4鑄鐵表面高熵合金涂層組織研究4.1鑄鐵表面的組織研究鑄鐵是運用很廣泛的金屬材料，我的實驗中以球墨鑄鐵為主要的實驗試樣，首先要對鑄鐵表面進(jìn)行處理，1、將鑄鐵表表面用粗砂紙打磨，盡快去除表層金屬，此時得到的表面劃痕很多；2、接著用細(xì)砂紙打磨以減少劃痕和劃痕的深度；3、接著將試樣表面涂一層研磨膏，使用拋光機(jī)對試樣表面進(jìn)行拋光處理，是表面更加光潔；4、最后用脫脂棉吸收4%的硝酸酒精進(jìn)行腐蝕，腐蝕時間要充足，將劃痕完全消除。注意事項：1、由于球墨鑄鐵比較軟，用粗砂紙打磨去除金屬表層會比較快，所以不能用粗砂紙打磨過長的時間，否則試樣表面深劃痕會很多，會造成后面的處理更加麻煩和使用更長的時間處理；2、在觀察表面金相組織和拍照取得實驗記錄照片時，提前在用無水乙醇清理一下，否則觀察的表面會有污痕，引起實驗的的不準(zhǔn)確。以下是處理后球墨鑄鐵的放大500倍的金相組織照片：圖4.1鑄鐵的表面組織結(jié)構(gòu)圖如圖，球墨鑄鐵中的石墨呈現(xiàn)為球狀，試樣是鐵素體基本球墨鑄鐵，對基體的削弱和造成應(yīng)力集中很小，故強度高，而且鑄造性能好，成本低，生產(chǎn)方便，在工業(yè)上應(yīng)用會比較廣，但是由于它含有較高的碳、硅及其它元素因而有以下特點：1）共析轉(zhuǎn)變的溫度顯著提高，并且在一較寬的溫度范圍進(jìn)行。2）奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線顯著右移，淬透性好于碳鋼。4.2八元高熵合金的組織分析首先要對八組元高熵合金表面進(jìn)行處理，1、將高熵合金表表面用粗砂紙打磨，盡快去除表層金屬，此時得到的表面劃痕很多；2、接著用細(xì)砂紙打磨以減少劃痕和劃痕的深度；3、接著將試樣表面涂一層研磨膏，使用拋光機(jī)對試樣表面進(jìn)行拋光處理，是表面更加光潔；4、最后用脫脂棉吸收4%的硝酸酒精進(jìn)行腐蝕，腐蝕時間要充足，將劃痕完全消除。注意事項：1、由于高熵合金的硬度、強度及耐磨性很好，所以用粗砂紙打磨去除金屬表層會比較慢，所以要用粗砂紙打磨充足的時間，否則試樣表面含有金屬雜志的金屬層會去除不掉，影響度對高熵合金表面金相組織的觀察，因為有可能觀察到圖像是雜志的部分；2、在觀察表面金相組織和拍照取得實驗記錄照片時，提前在用無水乙醇清理一下，否則觀察的表面會有污痕，引起實驗的的不準(zhǔn)確。4.3經(jīng)過涂層工藝后試樣表面的組織研究如第三章的工藝分析，我們總共分了四組實驗，在四組不同溫度、不同保溫時間對試樣進(jìn)行了實驗，實驗數(shù)據(jù)和實驗圖片為以下幾種情況。1)，1200攝氏度下并且保溫二個小時第一組試樣組為兩塊試樣，都分別涂有相同厚度的高熵合金，經(jīng)過真空燒結(jié)爐燒結(jié)后，得到兩塊燒結(jié)后的試樣，我們同樣需要對表面進(jìn)行處理。需要用粗砂紙對表面沒能滲入的高熵合金涂層迅速磨掉。用細(xì)砂紙對試樣表面進(jìn)行處理，消除表面較小的金屬凹陷。進(jìn)行拋光處理，使用拋光機(jī)進(jìn)行處理，加入部分研磨液。最后進(jìn)行腐蝕處理,腐蝕的時間不能太長。注意事項：1）用砂紙的去除金屬凹坑的時間不能太長，時間的長了有可能去除高熵所滲入金屬表層；2）拋光處理時得加入的研磨液，研磨液配比的濃度不能過高，一方面是濃度過高使表面上有大量的拋光粉，另一方面是拋光粉太多會是拋光太多，使金屬材料的去除過多。在XJP-6A光學(xué)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(jī)拍下清晰的組織照片。圖4.2第一組實驗的表面組織結(jié)構(gòu)圖第二組實驗：1100攝氏度下保溫三個小時第二組組試樣組為兩塊試樣，都分別涂有相同厚度的高熵合金，經(jīng)過真空燒結(jié)爐燒結(jié)后，得到兩塊燒結(jié)后的試樣，我們同樣需要對表面進(jìn)行處理。需要用粗砂紙對表面沒能滲入的高熵合金涂層迅速磨掉。用細(xì)砂紙對試樣表面進(jìn)行處理，消除表面較小的金屬凹陷。進(jìn)行拋光處理，使用拋光機(jī)進(jìn)行處理，加入部分研磨液。最后進(jìn)行腐蝕處理,腐蝕的時間不能太長。注意事項：1）用砂紙的去除金屬凹坑的時間不能太長，時間的長了有可能去除高熵所滲入金屬表層；2）拋光處理時得加入的研磨液，研磨液配比的濃度不能過高，一方面是濃度過高使表面上有大量的拋光粉，另一方面是拋光粉太多會是拋光太多，使金屬材料的去除過多。圖4.3第二組實驗表面組織結(jié)構(gòu)圖第三組實驗：1100攝氏度下保溫兩個小時。第三組組試樣組為兩塊試樣，都分別涂有相同厚度的高熵合金，經(jīng)過真空燒結(jié)爐燒結(jié)后，得到兩塊燒結(jié)后的試樣，我們同樣需要對表面進(jìn)行處理。需要用粗砂紙對表面沒能滲入的高熵合金涂層迅速磨掉。用細(xì)砂紙對試樣表面進(jìn)行處理，消除表面較小的金屬凹陷。進(jìn)行拋光處理，使用拋光機(jī)進(jìn)行處理，加入部分研磨液。最后進(jìn)行腐蝕處理,腐蝕的時間不能太長。注意事項：1）用砂紙的去除金屬凹坑的時間不能太長，時間的長了有可能去除高熵所滲入金屬表層；2）拋光處理時得加入的研磨液，研磨液配比的濃度不能過高，一方面是濃度過高使表面上有大量的拋光粉，另一方面是拋光粉太多會是拋光太多，使金屬材料的去除過多。在XJP-6A光學(xué)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(jī)對準(zhǔn)目鏡即可拍下當(dāng)前的組織圖像。圖4.4第三組實驗表面組織結(jié)構(gòu)圖第四組實驗：1000攝氏度下保溫兩個小時。第四組組試樣組為兩塊試樣，都分別涂有相同厚度的高熵合金，經(jīng)過真空燒結(jié)爐燒結(jié)后，得到兩塊燒結(jié)后的試樣，我們同樣需要對表面進(jìn)行處理。需要用粗砂紙對表面沒能滲入的高熵合金涂層迅速磨掉。用細(xì)砂紙對試樣表面進(jìn)行處理，消除表面較小的金屬凹陷。進(jìn)行拋光處理，使用拋光機(jī)進(jìn)行處理，加入部分研磨液。最后進(jìn)行腐蝕處理,腐蝕的時間不能太長。注意事項：1）用砂紙的去除金屬凹坑的時間不能太長，時間的長了有可能去除高熵所滲入金屬表層；2）拋光處理時得加入的研磨液，研磨液配比的濃度不能過高，一方面是濃度過高使表面上有大量的拋光粉，另一方面是拋光粉太多會是拋光太多，使金屬材料的去除過多在XJP-6A光學(xué)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(jī)對準(zhǔn)目鏡即可拍下當(dāng)前的組織圖像。圖4.5第四組實驗表面組織結(jié)構(gòu)圖觀察五組顯微組織，鑄鐵的組織為珠光體和二次滲碳體。四組鑄鐵高熵合金涂層組織和鑄鐵的原始組織有明顯的不同，特別是第一組能清楚的觀察到高熵合金滲層，滲層主要由金屬原子滲入到鑄鐵表面后和鐵、碳原子相互作用形成的化合物組成。第二組的滲層不明顯，所以顯微組織基本和鑄鐵原始組織相同。5.鑄鐵表面高熵合金涂層力學(xué)性能的研究5.1鑄鐵表面的力學(xué)性能的研究我的研究是試樣為球墨鑄鐵，同時做了四組涂層工藝的的實驗，未經(jīng)過任何方式處理的球墨鑄鐵力學(xué)性能如下：圖5.1維氏硬度計的測量文件測試零件名稱(Nameofthehardwareinthetest):測試零件名稱測試時間(Testtime):2015-04-2216:07:48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(shù)(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=35.795d2=37.096HV=279.21HB=274.21第2次(2times):d1=39.862d2=39.049HV=238.24HB=235.24第3次(3times):d1=39.537d2=38.073HV=246.29HB=242.29平均值(AverageVlaue):254.58極差(Range):40.97最大值(Max.Vlaue):279.21分散度(Disperse):16.09%最小值(Min.Vlaue):238.24圖5.2測量鑄鐵的實驗圖5.2高熵合金的表面力學(xué)性能的研究測試零件名稱(Nameofthehardwareinthetest):測試零件名稱測試時間(Testtime):2015-04-2217:33:00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(shù)(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=22.941HV=694.82HB=0.00第2次(2times):d1=22.616d2=22.453HV=730.35HB=0.00第3次(3times):d1=22.941d2=23.429HV=689.94HB=0.00平均值(AverageVlaue):705.04極差(Range):40.41最大值(Max.Vlaue):730.35分散度(Disperse):5.73%最小值(Min.Vlaue):689.94圖5.3測量八組元高熵合金的實驗圖5.3經(jīng)過涂層工藝后的鑄鐵表面力學(xué)性能的研究以下4組實驗是通過低三章的四種工藝處理的試樣，即高熵合金滲入試樣表面的情況，通過之前對表面的處理第一組：測試零件名稱(Nameofthehardwareinthetest):測試零件名稱測試時間(Testtime):2015-05-1216:48:33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(shù)(TestTimes):5顯微鏡倍率(MicroscopeMagnification):40壓頭鋼球直徑(Presssteelballdiameter):2.5試驗值(TestValue):第1次(3times):d1=22.290d2=24.893HV=666.37HB=0.00第2次(4times):d1=22.290d2=22.127HV=751.95HB=0.00第3次(5times):d1=23.266d2=23.592HV=675.64HB=0.00平均值(AverageVlaue):698.02極差(Range):85.58最大值(Max.Vlaue):751.95分散度(Disperse):5.68··++%最小值(Min.Vlaue):66.37圖5.4第一組實驗的測量圖第二組：測試零件名稱(Nameofthehardwareinthetest):測試零件名稱測試時間(Testtime):2015-05-2218:53:56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(shù)(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=34.981d2=37.747HV=280.47HB=275.47第2次(2times):d1=36.283d2=36.283HV=281.72HB=276.72第3次(3times):d1=34.981d2=36.120HV=293.45HB=288.45平均值(AverageVlaue):285.21極差(Range):12.98最大值(Max.Vlaue):293.45分散度(Disperse):4.55%最小值(Min.Vlaue):280.47圖5.5第二組實驗的測量圖第三組：測試零件名稱(Nameofthehardwareinthetest):測試零件名稱測試時間(Testtime):2015-05-2218:47:18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(shù)(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=28.473d2=30.100HV=432.41HB=420.92第2次(2times):d1=27.334d2=30.751HV=439.70HB=427.17第3次(3times):d1=27.985d2=28.961HV=457.47HB=443.47平均值(AverageVlaue):443.19極差(Range):25.06最大值(Max.Vlaue):457.47分散度(Disperse):5.65%最小值(Min.Vlaue):432.41圖5.6第三組實驗的測量圖第四組：測試零件名稱(Nameofthehardwareinthetest):測試零件名稱測試時間(Testtime):2015-05-2218:50:50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(shù)(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=50.438d2=53.204HV=138.11HB=-第2次(2times):d1=49.299d2=52.391HV=143.46HB=-第3次(3times):d1=48.160d2=53.204HV=144.38HB=-平均值(AverageVlaue):141.98極差(Range):6.27最大值(Max.Vlaue):144.38分散度(Disperse):4.42%最小值(Min.Vlaue):138.11圖5.7第四組實驗的測量圖5.4鑄鐵及四組試樣的力學(xué)分析鑄鐵表面高熵合金涂層試樣的實驗總結(jié)如下表所示：表6.1鑄鐵表面高熵合金涂層實驗總結(jié)鑄鐵第一組試樣第二組試樣第三組試樣第四組試樣升溫階段-500℃500℃500℃500℃保溫時間-10min10min10min10min目標(biāo)溫度-1200℃1100℃1100℃1000℃保溫時間-2h2h3h3H降溫階段-200℃700℃700℃700℃降溫用時-2h1h1h1h平均表面硬度254.58GPa698.02GPa285.21GPa44