T12鋼基體表面熔滲高熵合金工藝及性能研究

前言1.1概述高熵合金的提出是基于20世紀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。有人認為非晶或玻璃的原子混亂度高或熵高，而高熵必然導致高的玻璃化形成能力，所以有人提出一個混亂理論。但是，后來有學者發(fā)現高熵和高的玻璃化形成能力并不一致，倒是發(fā)現有些高混合熵合金可以形成單相固溶體。對此，葉均蔚等認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。至于為什么高混合熵合金玻璃化形成能力并不高，張勇等統(tǒng)計了大量的高混合熵合金，從原子尺寸差，混合焓和混合熵角度作了系統(tǒng)分析，并用Adam-Gibbs方程作出了解釋[1]。已有的研究報道發(fā)現，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和凝聚態(tài)物理領域中繼大塊非晶之后一個新的研究熱點。目前，高熵合金的研究多是集中在鑄態(tài)下的性能測試，我們知道鑄態(tài)下的產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。有人曾預言，未來幾十年內，最有發(fā)展?jié)摿Φ娜笱芯繜狳c是大塊非晶、復合材料和高熵合金。1.2高熵合金的定義高熵合金一般可以被定義為由五個以上的元素組元按照等原子比或接近于等原子比合金化，其混合熵高于合金的熔化熵，一般形成高熵固溶體相的一類合金。多組元高熵合金是多種主要元素的合金，其中每種主要元素都具有較高的原子百分比，但每種元素的原子百分數不能超過35，也就是說這種合金是由多種元素集體起作用而表現出其特色。熵是熱力學上代表混亂度的一個參數，混亂度越大，熵就越大。一個物質系統(tǒng)的熵，包括原子排列混合熵以及原子振動組態(tài)、電子組態(tài)、磁矩組態(tài)等所貢獻的熵。對于合金而言，高熵合金混合熵的計算以原子排列的混合熵為主。1.3高熵合金的組織特點根據Gibbs相律：F=C-P+1(F：自由度；C：組元數；P：相數)，在一個組元為C的合金系中，其最大平衡相數目P=c+1，在非平衡狀態(tài)下，最大相數還會更大。傳統(tǒng)合金的研究也認為，在多組元的合金系中更可能形成種類繁多的金屬間化合物或者分別由各種基體元素之間相互形成的端際固溶體，使得合金結構極其復雜口。而對高熵合金的研究發(fā)現，多主元高熵合金凝固后不僅沒有形成數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為主的結構，其相組成相當簡單，所生成的相數遠遠小于吉布斯相律的預測值，這與傳統(tǒng)合金的設計經驗完全相反。之所以簡單固溶體會優(yōu)于金屬間化合物先行析出，其中的奧妙就在于該合金系統(tǒng)固有的高混合熵特性?，F有研究結果表明，高熵效應能有效抑制脆性金屬間化合物的出現，促進合金中簡單的體心立方或面心立方結構的形成[2]。由于相及微結構的可鑒定性及單純性，這極大的便利了我們對這一新型合金的研究，故高熵合金如同傳統(tǒng)合金一樣，是一個可分析、可了解的合金領域。納米析出甚至非晶化的現象是高熵合金的另一個重要的特色。合金微結構納米化可使材料的力學、電化學及物理性能等許多性能得到增強。合金納米化的傾向，主要原因與動力學理論有關。因為當高熵合金熔解時，所含元素混亂排列成為無序液體，凝固后，由于多元素的擴散及重分配，導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，高熵合金更能展現納米化，甚至非晶化的傾向。據報道，目前中國臺灣清華大學正聯合工研院材料所等單位開展高熵合金納米化和非晶化的研究計劃。1.4高熵合金的性能特點高熵合金和傳統(tǒng)合金在性能上相比，最顯著的特點就是高熵合金可以同時擁有極高的硬度、耐熱性及耐蝕性。而據現在所知的任何一種傳統(tǒng)合金都不能在熔鑄后集這三種性能為一體[6,7]。1.4.1高強度與硬度高熵合金具有較高的硬度和強度。研究發(fā)現，多數高熵合金的鑄態(tài)組織硬度為600～900HV，相當于或者大于碳鋼及合金碳鋼完全淬火硬化后的硬度；改變合金元素的含量，還可進一步提高合金的硬度。1.4.2良好的耐磨性高熵合金具有良好的耐磨性。研究AlxCoCrCuFeNi高熵合金的粘著磨損行為時發(fā)現，隨著Al元素的增加，合金的硬度提高，磨損機制為氧化磨損，在合金表面形成的氧化膜有助于抵抗磨損。當鋁的含量較低時(x=0.5)，合金由簡單的面心立方（FCC）結構組成，x=1.0時，形成面心立方和體心立方(BCC)的混合結構；在磨損的表面，FCC區(qū)域有深的磨損凹槽，而BCC區(qū)域是光滑的，在光滑區(qū)域，雖然已經發(fā)生氧化磨損，但以層狀磨損為主；當鋁含量較高時(x=2.0)，合金的硬度提高，產生氧化磨損，氧化膜有助于抵抗磨損，故合金的抗磨損性能提高。1.4.3良好的塑性和韌性高熵合金具有良好的塑性和韌性，特別是當合金具有單一面心立方相時，具有非常好的塑性，合金塑性與合金中面心立方相的數量比成一定的正比關系。合金FeCoNiCrCuAl0.5經50%壓縮率冷壓（即冷壓合金時的塑性變形量達到50%）后，非但沒有出現任何裂紋，反而在枝晶內部出現了納米結構，大小約數納米到數十納米，合金硬度得到進一步提升；AlCoCrFeNiTi1.5在32%以內的壓縮率內冷壓，也表現出非常好的延展性。在合金AlXCoCrCuFeNi的研究中，合金的晶粒尺寸越小，單位體積內晶界面積增加越多，晶界面積的增加就使晶界滑動及其協調過程更加容易進行，晶界遷移、晶界滑移有助于塑性變形過程中的應力松弛、塑性提高。1.4.4耐熱性研究發(fā)現，大部分高熵合金具有比組成元素更高的熔點，高溫下具有極高的硬度和強度。由于高熵合金混亂度大，再加上在高溫下混亂度變得更大，高熵合金無論是結晶態(tài)還是非晶態(tài)都會變得更加穩(wěn)定，仍然存在固溶強化效應，可獲得極高的高溫強度。有研究表明高熵合金具有耐回火軟化性能，在1000℃退火、24h爐冷到室溫后，其硬度幾乎沒變化，甚至有析出硬化特性。Al0.3CoCrFeNiC0.1高熵合金在700～1000℃時效處理72h后，合金硬度非但沒有下降，反而有不同程度的提升。而傳統(tǒng)合金如碳鋼淬硬化后有明顯的軟化現象，耐高溫的高速鋼也會在550℃時發(fā)生軟化[8]。1.4.5耐腐蝕性高熵合金有良好的耐腐蝕性能。例如AlFeCuCoNiCrTiX高熵合金在0.5mol/L的硫酸（H2SO4）溶液中的耐腐蝕性要優(yōu)于304不銹鋼，合金中的鎳（Ni）、鉻（Cr）使合金具有耐蝕性。銅（Cu）對提高合金的抗還原酸(H2SO4)能力也有很大貢獻，Cu能促使鈍化膜的生成，提高腐蝕電位，降低腐蝕電流密度，在H2SO4溶液中容易形成金屬Cu、硫化亞銅（Cu2S）來阻擋或減少材料與溶液接觸，提高合金的耐腐蝕性。Al0.3CrFe1.5MnNi合金研究發(fā)現，添加Cr、鉬（Mo）元素可以增加合金的抗孔蝕能力。1.5涂層技術1.5.1熱噴涂技術利用熱源將噴涂材料加熱至溶化或半溶化狀態(tài)，并以一定的速度噴射沉積到經過預處理的基體表面形成涂層的方法分類：低壓等離子噴涂、大氣等離子噴涂、爆炸噴涂、高速氧焰噴涂、中溫噴涂，冷噴涂等特點：沉積速率快，但表面粗糙，需要后續(xù)處理，適合較厚涂層1.5.2.物理氣象沉積技術（PVD）方法：真空蒸鍍，磁空濺射，電弧離子鍍，激光輔助沉積，等離子輔助物理氣相沉積，電子束物理氣相沉積等特點：沉積速率慢，涂層質量好，適合一些精密的應用，如刀具模具，電子等行業(yè)1.5.3.化學氣相沉積技術（CVD）方法：熱絲CVD，微波增強CVD，有機化合物CVD等特點：繞射性好，可以生長一些高溫下才能生長的薄膜，但沉積溫度高1.5.4濕法沉積濕法沉積最典型的就電鍍和化學鍍。電鍍是指在含有欲鍍金屬的鹽類溶液中，以被鍍金屬的陽離子在基體金屬表面沉積出來，形成鍍層的一種表面加工方法，鍍層性能不同于基體金屬，具有新特征。根據鍍層的功能，可將鍍層分為防護性鍍層，裝飾性鍍層及其他功能性鍍層。鍍層功能的多樣性，使電鍍在國民經濟的各個生產領域得到越來越廣泛的應用。而化學鍍是指在沒有外電流通過的情況下，利用化學方法使溶液中的金屬離子還原為金屬并沉積在基體表面，形成鍍層的一種表面加工的方法[3]。被鍍件浸入鍍液中，化學還原劑在溶液中提供電子使金屬還原沉積在鍍件表面Mn++ne→M應用：在鏡面上化學鍍銀是人們開發(fā)最早的化學鍍方法。但通常的化學銀很不穩(wěn)定，因此常將銀鹽和還原劑分開配制，開始使用才混合。1.6高熵合金涂層的制備1.6.1真空電弧熔煉技術在水冷銅坩堝中利用焊槍的電弧進行熔煉，待合金充分混合后將合金塊翻轉，一般熔煉4-10次[9]。然后利用機械手把坩堝中熔煉完的合金塊移至中間吸鑄銅模處，進行吸鑄[11]。這種方法的優(yōu)點是設備簡單，投資小，容易操作。其缺點是鑄件冷速不均勻，部分區(qū)域出現較大晶粒，組織定向性結晶，成分比較難混合均勻。1.6.2機械合金化通過高能球磨使粉末經受反復的變形、冷焊、破碎，從而達到元素間原子水平合金化。一般利用機械合金化方法來制備納米尺度合金粉體材料，或進而采用粉末冶金法制備塊體材料。1.6.3磁控濺射技術利用氬氣在電場的作用下電離，氬離子被電場加速轟擊靶材濺射出大量的靶材原子，靶原子(或分子)沉積在基片上形成膜。磁控濺射的特點是成膜速率高基片溫度低，膜的粘附性好，可實現大面積鍍膜。應用磁控濺射方法已經成功制備了多主元高功能合金鍍膜[10]。1.6.4熱噴涂技術將噴涂材料送入某種熱源中熔化，并利用高速氣流將其噴射到基體表面形成涂層。其優(yōu)點是基體材料不受限制；噴涂過程中基體材料升溫小，不會產生應力和變形；涂層厚度可以從0.01mm至幾毫米[5]。一般首先利用電弧熔煉爐煉制高熵合金母合金，然后將合金球磨成直徑在４４μm以下的顆粒，再通過熱噴涂的方法在基體材料表面形成薄膜。1.6.5激光熔覆法高熵合金涂層的制備主要是利用預置式激光熔覆，事先將高熵合金置于基體材料表面的熔覆部位，然后采用激光束輻照使之熔化，快速凝固后形成表面涂層。這種方法具有快速加熱和快速凝固的特點，所制備的涂層厚度可以達到毫米級。1.7高熵合金的應用高混合熵不但能夠簡化多元高熵合金的顯微結構，而且還能使顯微結構納米化甚至非晶化，這種與傳統(tǒng)合金迥異的顯微結構使高熵合金擁有獨特的機械性能、物理性能(光、電、磁、熱)和化學性能，進而使得相比于趨于飽和的傳統(tǒng)合金體系，高熵合金具有很大的應用潛力[4]。高熵合金的應用層面極其多樣化，其應用范圍包括：高硬度且耐磨耐溫耐蝕耐氧化的工具、模具、刀具；利用噴涂、濺鍍或鑄造包套法制作各種構件的硬面，如高爾夫球頭打擊面、油壓氣壓桿、鋼管壁面及軋輥面等；高頻變壓器、馬達的磁心、磁頭、磁碟、高頻軟磁薄膜以及喇叭；化學工廠、油井及艦船的耐蝕高強度材料；超高大樓的耐火骨架、噴氣式發(fā)動機渦輪葉片、熱交換器及高溫爐的耐高溫材料；微機電材料等。1.8高熵合金的研究現狀目前國內外學者對高熵合金的研究，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)力學性能，如硬度、抗壓強度、耐磨性、耐蝕性等[12]，其它性能研究相對較少，數據不多。微觀機理方面的研究尚未真正展開，僅清華大學和北京科技大學的學者做了少量探索。從研究成果來看，目前還是臺灣清華大學的研究處于領先地位，已有多項發(fā)明專利。高熵合金的應用潛力巨大，應用領域廣泛。但是，高熵合金的各項相關數據基本還處于試驗室階段，尚未真正進入應用領域，還未能實現產業(yè)化[16]。這一方面是因為該領域的相關研究剛剛起步，很多人對此類合金還不了解；另一方面是有關此類合金的數據非常少，數據重復性不夠高。目前文獻所報道的用于實驗研究的高熵合金，無論采用哪種方法制備，試樣都很小，一般只有幾十克[17,18]。因此，排除儀器誤差之外，配制合金時稱量原材料的微小誤差、制備過程中的少量原材料損耗、所用原材料的純度不同，都可能導致實際所得合金成分偏離設計成分較遠。高熵合金的組織、性能特點是由其高混合熵所決定的，等摩爾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，要使高熵合金的實驗數據真正應用到實際生產領域[13]，還需提高配樣精度，提高數據的重復再現性。對于實驗數據顯示性能優(yōu)異、經濟性良好的高熵合金，可以熔制大塊試樣，再檢測相應的性能，獲得真正可以用到實際生產的參考數據。國內僅有的幾個已獲批準的高熵合金相關的專利，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。1.9高熵合金的前景目前，傳統(tǒng)合金體系的發(fā)展已趨飽和，突破傳統(tǒng)合金的發(fā)展框架，提出新的合金設計思路成為材料科學家必須認真思考的重要問題，高熵合金正是在這樣的趨勢下應運而生的。高熵合金的概念最先由中國臺灣清華大學的科學家在20世紀90年代中期提出并進行了研究，到目前為止已取得了許多讓人感興趣的研究成果[14,15]。最近劍橋大學的科學家也開始在多組元等原子比替代合金方面開展研究工作?，F有研究表明高熵合金是一個可合成、可加工、可分析、可應用的合金世界。高熵合金可以采用傳統(tǒng)的熔鑄、鍛造、粉末冶金、噴涂法及鍍膜法來制成塊體材料、涂層或薄膜等形式[19]，因此在傳統(tǒng)合金工業(yè)的升級及高科技產業(yè)的發(fā)展方面極具發(fā)展?jié)摿?。高熵合金是最近幾十年來合金化理論的一大突破，是傳統(tǒng)合金之外一個嶄新的合金世界。高熵合金的研究具有前瞻性。作為一個嶄新的合金體系，高熵合金的研究還是一塊有待開發(fā)的沃土，人們對這一合金化過程的機理以及其中涉及到的諸多科學問題還沒有很深入的認識[20,21]。實際上，有的一些高熵合金體系也只是通過所謂的雞尾酒式的方法調配而成，還沒有建立起科學選擇合金元素的較為成熟的理論。這些，都有待于我們材料科學工作者進一步去發(fā)掘。2熔滲高熵合金試樣的制備2.1配制高熵合金2.1.1配置八組元高熵合金在實驗室中取出Al,Cr,Co,Fe,Ni,Mo,Ti,Si八種元素的單原子金屬粉末，嚴格按照摩爾比例稱重配置（摩爾比為Al:Cr:Co:Fe:Ni:Mo:Ti:Si=1:1:1:1:1:1:0.25:0.75）進行充分混合均勻，然后用振篩機進行充分攪拌均勻。2.1.2配置五組元高熵合金在實驗室中取出Al,Cr,Co,Fe,Ni五種元素的單原子金屬粉末，嚴格按照摩爾比例稱重配置（摩爾比為Al:Cr:Co:Fe:Ni=1:1:1:1:1）進行充分混合均勻，然后用振篩機進行充分攪拌均勻。圖2.1振篩機2.2配制粘結劑1）將塊狀松香打碎，充分碾磨成粉狀。2）按照松香和松節(jié)油1:3的比例稱重、量取。3）松香與松節(jié)油一起倒入燒瓶攪拌，直至里面不出現大塊的黃色粘結物質。4）靜置，使松節(jié)油變?yōu)槿闈嵋骸?.3T12鋼基體熔滲高熵合金試樣的制備2.3.1制備光滑面基體熔滲高熵合金試樣1）在實驗室中取出三組T12鋼基體，用砂紙分別打磨三組T12鋼基體表面，使其表面光亮，然后將打磨好的基體放入煤油中進行清洗，吹干。2）將高熵合金粉末和粘結劑混合均勻成牙膏狀，均勻地涂抹在基體材料表面。3）將制備好的T12鋼基體熔滲高熵合金試樣放入加熱爐中加熱（溫度控制在100度），烘干8小時2.3.2制備粗糙面基體熔滲高熵合金試樣1）在實驗室中取出三組T12鋼基體，用砂紙分別打磨三組T12鋼基體表面，使其表面光亮。2）用戳刀和鋸條將打磨好的光滑面進行無規(guī)則粗糙面加工，然后將表面粗糙的基體放入煤油中進行清洗，吹干。3）將高熵合金粉末和粘結劑混合均勻成牙膏狀，均勻地涂抹在基體材料表面。4）將制備好的T12鋼基體熔滲高熵合金試樣放入加熱爐中加熱（溫度控制在100度），烘干8小時2.4高熵合金試樣制備使用儀器大燒杯，玻璃棒，電子天平，膠頭滴管，小燒瓶，目數180單位的粗砂紙，目數1000單位的細砂紙，烘干爐（圖2.1）圖2-2烘干箱3基體熔滲高熵合金工藝及組織研究3.1基體材料成分、組織、性能介紹3.1.1T12鋼化學成分元素CSiMnSp含量1.15~1.24≤0.35≤0.40≤0.030≤0.0353.1.2T12鋼基體組織圖3.1T12鋼基體組織3.1.3T12鋼性能簡介T12鋼硬度高、耐磨性好，但是韌性低，可以用于制作不受沖擊的，要求硬度高、耐磨性好的切削工具和測量工具，如刮刀、鉆頭、鉸刀、擴孔鉆、板牙和千分尺等。3.2熱處理爐加熱熔滲高熵合金工藝1）將制備好的五組元熔滲高熵合金試樣用小型真空熱處理爐加熱至1300℃，保溫30分鐘。2）將處理好試件從爐中取出，發(fā)現有許多失敗試樣。3）將成功的試樣分類并打磨，直至表面“十分光亮”。4）將試件放置在拋光機的打磨拋光，直至表面沒有劃痕。5）用4%的硝酸乙醇反復擦拭試件表面，直至試件表面呈現淡灰色（即不再光亮），表示腐蝕成功。6）將處理好的試件放在顯微鏡下觀察。3.2.1T12鋼熱處理爐加熱后與原基體圖片對比圖3.2T12鋼基體圖3.3T12鋼基體（熱處理爐加熱）分析：T12鋼是過共析鋼，原基體組織為珠光體+二次滲碳體，通過T12鋼基體原組織(圖3.2)和T12鋼經過熱處理爐加熱后（圖3.3）的基體組織對比，我們發(fā)現，T12鋼基體經過熱處理爐加熱后，基體組織仍然是以珠光體和二次滲碳體為主，但在基體組織上分布有片狀金屬化合物，片狀金屬化合物的存在說明：（1）經過加熱熔滲工藝后，在T12鋼的表面有高熵合金熔入。（2）高熵合金熔滲層在基體表面分布不夠均勻。造成高熵合金在基體表面熔滲層分布不均的原因有一下幾點：（1）高熵合金的組元中Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti等都是高熔點組元，在此溫度下的加熱過程中原子的擴散能力較差，和基體的的結合能力較弱，所以熔滲層較薄。（2）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。3.2.2T8鋼熱處理爐加熱后與原基體圖片對比圖3.4T8基體圖3.5T8熱處理爐加熱分析：TT8鋼的基體組織主要是層片狀珠光體，是一層鐵素體和一層滲碳體的混合物。通過T8鋼基體原組織(圖3.4)和T8鋼表面經熱處理爐熔滲高熵合金的組織（圖3.5）對比，我們發(fā)現，T12鋼基體經過表面熔滲高熵合金后，在試樣表面分布有顆粒狀金屬化合物，顆粒狀金屬化合物的存在說明：（1）經過加熱熔滲工藝后，在T8鋼的表面有高熵合金熔入。（2）高熵合金熔滲層在基體表面分布不夠均勻。3.3五組元感應加熱熔滲效果3.3.1T12鋼五組元感應加熱熔滲圖3.8T12鋼基體圖3.9T12鋼基體(五組元感應加熱）分析：T12鋼是過共析鋼，原基體組織為珠光體+二次滲碳體，通過T12鋼基體原組織(圖3.8)和T12鋼經過感應加熱后（圖3.9）的基體組織對比，我們發(fā)現，T12鋼基體經過感應加熱后，基體組織發(fā)生了很大變化，基體組織上分布大量不連續(xù)金屬化合物，這些金屬化合物的存在說明：1）經過感應加熱熔滲工藝后，在T12鋼的表面有大量高熵合金熔入。（2）高熵合金熔滲層并沒有完全覆蓋原組織。3.3.2T8鋼五組元感應加熱熔滲圖3.10T8鋼基體圖3.11T8鋼基體（五組元感應加熱）分析：T8鋼的基體組織主要是層片狀珠光體，是一種雙相結構的組織，是一層鐵素體和一層滲碳體的混合物。通過T8鋼基體原組織(圖3.10)和T12鋼經過感應加熱后（圖3.11）的基體組織對比，我們發(fā)現，T12鋼基體經過感應加熱后，基體組織發(fā)生了大量變化，基體組織上分布大量不連續(xù)金屬化合物，這些金屬化合物的存在說明：1）經過感應加熱熔滲工藝后，在T8鋼的表面有大量高熵合金熔入。（2）高熵合金熔滲層并沒有完全覆蓋原組織。3.4對比T12鋼基體，熱處理爐加熱，感應加熱后圖3.12T12鋼基體圖3.13T12鋼基體（熱處理爐加熱）圖3.14T12感應加熱分析：熱處理和感應加熱都可在T12材料表面獲得一薄層高熵合金的滲層，熱處理爐比感應加熱獲得的滲層中的金屬化合物的顆?？倲狄?，這與熱處理爐加熱溫度高，金屬原子更容易擴散有關，但熱處理爐加熱溫度高，會改變基體的組織，使基體的力學性能下降，所以通過感應加熱獲得的高熵合金涂層的方法更合理。3.5基體熔滲高熵合金工藝研究使用儀器研究基體熔滲高熵合金工藝時，還要使用兩種重要儀器：金相拋光機和三目倒置金相顯微鏡。3.5.1金相拋光機在前面用砂紙打磨的基礎上，為了使試樣表面更加光亮，在顯微鏡下更好的觀察，就必須進行拋光這道工序，金相拋光機就是必不可少。金相拋光機（如圖3.16），顧名思義，就是把一些試樣的表面的毛精糙部分，清理掉，以達到鏡面效果。在使用拋光機之前，先按照綠碳化硅與水的比例為1:20來配置拋光液，放入大燒杯攪拌，直至成為懸濁液，以便在拋光時一邊加水，一邊加拋光液。為了是拋光效果更好，還需要在試樣表面涂抹綠色拋光膏。拋光機拋光時，試樣磨面與拋光盤應絕對平行并均勻地輕壓在拋光盤上，注意防止試樣飛出和因壓力太大而產生新磨痕。在拋光時，還應使試樣自轉并沿轉盤半徑方向來回移動，以避免拋光織物局部磨損太快。在拋光過程中要不斷添加拋光液不斷加水，使拋光織物保持一定濕度。濕度太大會減弱拋光的磨痕作用，使試樣中硬相呈現浮凸和鋼中非金屬夾雜物及鑄鐵中石墨相產生“曳尾”現象；濕度太小時，由于摩擦生熱會使試樣升溫，潤滑作用減小，磨面失去光澤，甚至出現黑斑，試件表面會出現發(fā)黃的現像。圖三目倒置金相顯微鏡在實驗過程中，試件往往會出現劃痕，影響觀察結果，為了得到更加準確，更加清晰的金相照片，需要不斷重復拋光，打磨，腐蝕這三步程序，然后在普通顯微鏡下觀察金相顯微組織，直到清晰為止。最后，要拍下這些金相顯微照片三目倒置金相顯微鏡就是必不可少的了。圖3.16我們所用的顯微鏡為三目倒置金相顯微鏡XJP-6A（如圖3.17），做實驗時物鏡放大倍數都是40倍，目鏡12.5倍，在視野中找到圖像以后，將右方的拉桿拉開，前面裝上單反相機進行拍攝，主要用到兩個放大倍數，200倍跟280倍，這兩個放大倍數拍出來的金相照片效果最好。三目倒置金相顯微鏡XJP-6A:用于鑒別和分析各種金屬和合金材料的組合結構，廣泛應用在工廠或實驗室進行鑄件質量的鑒定；原材料的檢驗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象進行研究工作。它是鋼鐵、有色金屬材料、鑄件、鍍層的金相分析；地質學的巖相分析；以及工業(yè)領域對化合物、陶瓷等進行微觀研究的有效手段，是金屬學和材料學研究材料組織結構的必備儀器，也廣泛應用于生物、醫(yī)學和教學等領域。三目倒置金相顯微鏡XJP-6A特點：1.優(yōu)良的光學系統(tǒng)設計確保視場寬闊、平坦、清晰。2.應用人機工程學設計理念，結構合理、可靠、操作十分方便、輕松。3.高襯度物鏡能提高低反射面物體的襯度。4.雙目觀察可與攝影、攝像同步進行。5.偏振光學附件對金相組織、晶粉及夾雜物分析極為清晰4基體熔滲高熵合金力學性能研究4.1基體熔滲高熵合金力學性能研究使用儀器為了進行基體熔滲高熵合金力學性能研究，力學性能試驗也是必不可少的，所以，就要用到維式硬度計。圖4.1維氏硬度計4.1.1維氏硬度計簡介維氏硬度計的試驗力比較多，只要工件表面的粗糙度符合標準，維氏硬度計都可以檢測。維氏硬度計通過步進電機，對工件表面進行打壓，之后再由讀數顯微鏡測量壓痕的對角線的長度。之后利用對角線及試驗力的一個換算關系來測得維氏硬度。另外可以安裝維氏硬度計測量軟件，通過電腦顯示屏來顯示圖像，操作測量硬度值更方便和快捷。4.1.2維氏硬度計用途維氏硬度試驗主要用于材料研究和科學試驗方面小負荷維氏硬度試驗主要用于測試小型精密零件的硬度，表面硬化層硬度和有效硬化層深度，鍍層的表面硬度，薄片材料和細線材的硬度，刀刃附近的硬度，牙科材料的硬度等，由于試驗力很小，壓痕也很小，試樣外觀和使用性能都可以不受影響。顯微維氏硬氏試驗主要用于金屬學和金相學研究。用于測定金屬組織中各組成相的硬度，用于研究難熔化合物脆性等。顯微維氏硬度試驗還用于極小或極薄零件的測試，零件厚度可薄至3μm。廣泛應用于測定微小、薄形試件、表面滲鍍層等試件的顯微硬度和測定玻璃、陶瓷、瑪瑙、人造寶石等較脆而又硬的材料的努氏硬度，是科研機構、工廠及質監(jiān)部門進行材料研究和檢測的理想硬度測試儀器。適用范圍：熱處理、碳化、淬火硬化層，表面覆層，鋼，有色金屬和微小及薄形零件等。配備努氏壓頭后能測定玻璃、陶瓷、瑪瑙、人造寶石等較脆而又硬材料的努氏硬度。4.1.3維氏硬度計原理維氏硬度計以49.03～980.7N的負荷,將相對面夾角為136°的方錐形金剛石壓入器壓材料表面,保持規(guī)定時間后，用測量壓痕對角線長度，再按公式來計算硬度的大小。它適用于較大工件和較深表面層的硬度測定。維氏硬度尚有小負荷維氏硬度，試驗負荷﹤1.949.03N，它適用于較薄工件、工具表面或鍍層的硬度測定；顯微維氏硬度，試驗負荷﹤1.961N，適用于金屬箔、極薄表面層的硬度測定。試驗力除以壓痕表面積的商就是維氏硬度值。維氏硬度值計算公式：HV=常數×試驗力/壓痕表面積≈0.1891F/d2…………式中：HV―――維氏硬度符號；F―――試驗力（單位N）；d―――壓痕兩對角線d1、d2的算術平均值（單位mm）。實用中是根據對角線長度d通過查表可得到維氏硬度值。國家標準規(guī)定維氏硬度壓痕對角線長度范圍為0.020～1.400mm。4.1.4維氏硬度計工作環(huán)境1）在室溫10~35℃的范圍內;

2）在穩(wěn)固的基礎上水平安裝;

3）在無震動的環(huán)境中;

4）周圍無腐蝕性介質;

5）室內相對濕度不大于65%.4.2維氏硬度的表示方法維氏硬度計表示為HV，維氏硬度符號HV前面的數值為硬度值，后面為試驗力值。常見的有HV5,HV10，HV20，HV30，HV50和HV100標準的試驗保持時間為10～15S。但對于有色金屬則不能小于30秒，如果選用的時間超出這一范圍，在力值后面還要注上保持時間。例如：300HV30—表示采用294.2N（30kg）的試驗力，保持時間10～15S時得到的硬度值為300。450HV30/25—表示采用294.2N（30kg）的試驗力，保持時間25S時得到的硬度值為450。4.3維氏硬度試驗注意事項1）試樣表面必須光滑平整。2）轉動鏡頭和壓頭時避免碰撞試樣和夾具。3）測量時不要在工作臺施加力，以免影響測量結果。4）注意在加荷、保荷、卸荷期間，千萬不要扳動手柄，以免損壞主軸系統(tǒng)。5）不定期對壓頭實施清潔，可用脫脂棉或擦鏡紙沾上酒精小心擦拭，保持壓頭干凈。6）保證相鄰壓痕間的最小距離在4倍對角線長度，樣品邊緣的最小距離在2.5倍對角線長度。7）保持工作臺潔凈，未使用時噴注防銹油，以免生銹影響測試精度，升降軸隨時保持潤滑狀態(tài)。4.4感應加熱力學性能4.4.1T12鋼感應加熱（1）下面是T12鋼基體材料的維氏硬度試驗結果：測試零件名稱(Nameofthehardwareinthetest):測試零件名稱測試時間(Testtime):2014-06-0417:08:00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(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=32.117d2=31.411HV=392.58HB=384.58第2次(2times):d1=29.999d2=31.235HV=420.64HB=410.64第3次(3times):d1=30.882d2=31.588HV=405.14HB=396.12平均值(AverageVlaue):406.12極差(Range):28.06最大值(Max.Vlaue):420.64分散度(Disperse):6.91%最小值(Min.Vlaue):392.58（2）下面是T12鋼基體經五組元感應加熱后的維氏硬度試驗結果：測試零件名稱(Nameofthehardwareinthetest):測試零件名稱測試時間(Testtime):2014-05-2815:36:42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=27.529d2=28.764HV=493.14HB=474.12第2次(2times):d1=32.117d2=31.235HV=394.63HB=386.63第3次(3times):d1=31.941d2=35.470HV=351.46HB=344.57平均值(AverageVlaue):413.08極差(Range):141.68最大值(Max.Vlaue):493.14分散度(Disperse):34.30%最小值(Min.Vlaue):351.46(3)兩者比較：平均值最大值最小值極差分散度T12鋼基體406.12420.64392.5828.066.91％T12鋼基體五組元感應加熱413.08493.14351.46141.6834.30％分析：比較T12鋼基體和感應加熱后的硬度值，發(fā)現感應加熱后的硬度比基體的硬度值高，說明五組元高熵合金熔滲在T12基體表面后能夠改變T12鋼的力學性能，增大T12鋼的維氏硬度。而感應加熱后維氏硬度分散度較高，最小值低于基體硬度，出現這種結果的原因是：T12鋼表面熔滲的高熵合金較少且其分部不夠均勻，打硬度時，壓頭打在了基體材料上，而基體經過高溫加熱后組織粗大，硬度比原始組織偏低。4.4.2T8鋼感應加熱（1）下面是T8鋼基體材料的維氏硬度試驗結果：測試零件名稱(Nameofthehardwareinthetest):測試零件名稱測試時間(Testtime):2014-06-0416:44:34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=39.882d2=39.882HV=258.17HB=254.17第2次(2times):d1=43.058d2=39.705HV=241.58HB=238.58第3次(3times):d1=37.764d2=35.647HV=300.27HB=294.27平均值(AverageVlaue):266.67極差(Range):58.69最大值(Max.Vlaue):300.27分散度(Disperse):22.01%最小值(Min.Vlaue):241.58（2）下面是T8鋼基體五組元感應加熱后的維氏硬度試驗結果：測試零件名稱(Nameofthehardwareinthetest):測試零件名稱測試時間(Testtime):2014-05-2817:11:07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=43.411d2=41.647HV=230.05HB=228.05第2次(2times):d1=34.764d2=34.941HV=330.32HB=324.32第3次(3times):d1=38.999d2=38.999HV=268.85HB=263.85平均值(AverageVlaue):276.41極差(Range):100.27最大值(Max.Vlaue):330.32分散度(Disperse):36.28%最小值(Min.Vlaue):230.05（3）兩者比較平均值最大值最小值極差分散度T8鋼基體266.67300.27241.5858.6922.01％T8鋼基體五組元感應加熱276.41330.32230.05100.2736.28％分析：比較T8鋼基體和感應加熱后的硬度值，發(fā)現感應加熱后的硬度比基體的硬度值高，說明五組元高熵合金熔滲在T8基體表面后能夠改變T8鋼的力學性能，增大T8鋼的維氏硬度。而感應加熱后維氏硬度分散度較高，最小值低于基體硬度，出現這種結果的原因是：T8鋼表面熔滲的高熵合金較少且其分部不夠均勻，打硬度時，壓頭打在了基體材料上，而基體經過高溫加熱后組織粗大，硬度比原始組織偏低。4.4.3T8鋼感應加熱和T12鋼感應加熱對比平均值最大值最小值極差分散度（原分散度）T12鋼基體五組元感應加熱413.08493.14351.46141.6834.30％（6.91％）T8鋼基體五組元感應加熱276.41330.32230.05100.2736.28％（22.01％）分析：比較T8鋼感應加熱和T12鋼感應加熱后硬度參數比較，發(fā)現T12鋼感應加熱后硬度極差比T8鋼大，說明T12鋼表明的高熵合金熔滲層具有高的硬度，而且滲層的分布相對均勻。結論通過多次試驗得到了高熵合金涂層材料的最佳配制工藝：松香和松節(jié)油按1：3配制成過飽和溶液高熵合金八組元和五組元分別按摩爾比Al:Cr:Co:Fe:Ni:Mo:Ti:Si=1:1:1:1:1:1:0.25:0.75），（Al:Cr:Co:Fe:Ni=1:1:1:1:1）混合攪拌均勻將兩者混合成膏狀均勻涂敷在金屬基體上T12鋼經1130℃感應加熱，在其表面得到了高熵合金涂層。T12鋼表面的高熵合金涂層能提高材料表面的硬度。T12鋼比T8鋼的感應加熱熔滲高熵合金的效果要好。五組元高熵合金熔滲要比八組元高熵合金熔滲效果好。八組元高熵合金含有多個高熔點合金元素如Mo、Ti、Co，這些元素的充分擴散需要在很高的溫度下進行，但加熱溫度太高，會降低基體的力學性能。所以在1130℃感應加熱時，五組元的熔滲效果更好。參考文獻[1]梁秀兵，魏敏，程江波等.高熵合金新材料的研究進展.材料工程，2009,12:75-79[2]劉文杰.多主元高熵合金的制備及結構與性能研究.東北大學碩士論文.2010:6-1;[3]張愛榮.梁紅玉.李燁.激光熔覆AlCrCoFeNiMoTi0.75Si0.25高熵合金涂層刀具的性能.中國表面工程.2013,4:56-61;[4]梁紅玉.羅娟.顏雨飛.高熵合金在刀具切削上的應用和發(fā)展趨勢.材料導報A.2013,27(3):115-120;[5]范是紅娥.H13鋼表面激光熔覆TiC/Co基涂層及其高溫磨損性能研究.昆明理工大學博士論文.2013:5-1;[6]劉亮.合金元素對高熵合金組織與性能的影響.吉林大學博士論文.2012:12-1;[7]董瀚.鋼鐵材料研發(fā)的技術進展[J].中國冶金.2008,8（10）：123～19[8]張君堯.鋁合金材料的新進展[J].輕合金加工技術.1998,26（5）：1～10[9]張海峰.塊狀金屬玻璃研究與進展[J].金屬學報，2001,37（11）：1131～1142[10]葉均蔚.程瑞凱.高熵合金[J].科學發(fā)展，2004,377（5）:16～21[11].Jien-WeiYeh,Sew-KaiChen.Nanostructuredhigh-entropyalloyswithmultipleprincipalelementsNovelalloydesignconceptsandoutcomes.AdvanceEngineeringMaterials（2004）[12].JIEN-WEIYEH.AlloyDesignStrategiesandFutureTrendsinHigh-EntropyAlloys.TheMinerals,Metals&MaterialsSociety.(2013)[13].張[11].Jien-WeiYeh,Sew-KaiChen.Nanostructuredhigh-entropyalloyswithmultipleprincipalelementsNovelalloydesignconceptsandoutcomes.AdvanceEngineeringMaterials（2004）[12].JIEN-WEIYEH.AlloyDesignStrategiesandFutureTrendsinHigh-EntropyAlloys.TheMinerals,Metals&MaterialsSociety.(2013)[13]張力.高熵合金的制備及組織與性能.吉林大學碩士學位論文。（2005）[14].YongZhang,*YunJunZhou,JunPinLin,GuoLiangChenandPeterK.Li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