1、本科毕业论文（20 届）铸铁表面高熵合金涂层工艺及性能研究所在学院专业班级 机械设计制造及其自动化学生姓名指导教师完成日期诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目： 铸铁表面高熵合金涂层工艺及性能研究 1课题意义及目标高熵合金是由 5 至 13 种金属或者非金属组成，元素都按照等摩尔比或者接近等摩尔比的方式所进行混合所形成一种合金，其中每一种元素的含量大都在 5%到 35%之间，但是没有一种元素含量会超过 50%。这些多组元的等摩尔比的合金在相图的中间部分形成的，因
2、为在这一相区形成固溶体是可以稳定存在。传统的合金大都是在一种或者两种主耍元素的基础上加入一些合金元素从而得到性能不同的合金。高强度、高硬度、耐磨、耐腐蚀等性能特点，所以通过涂层工艺将高熵合金与铸铁表面相结合，从而提升铸铁的材料性能。目标：1)收集高熵合金的相关材料；2)了解金属表面涂层的制备工艺，3)了解金属表面涂层的制备工艺。 2主要任务1）掌握高熵合金的概念、性能特点、制造工艺。2）制定高熵合金涂层的成分配比及制备工艺3）铸铁表面高熵合金涂层的制备。4）铸铁表面高熵合金涂层的显微组织观察。5）铸铁表面高熵合金涂层的硬度、耐磨性等力学性能测定。通过上述实验取得铸铁表面高熵合金涂层的工艺参数、
3、获得显微组织照片及力学性能的实验数据。3主要参考资料1 郭卫凡.多主元高熵合金的研究进展J金属功能材料,2009，16（1）：49-53. 2 叶均蔚.高熵合金的发展J.华冈工程学报，2011， （27）：1-18.3 张力.高熵合金的制备及组织与性能D.吉林大学 ,2008:11-56.4进度安排设计各阶段名称 起 止 日 期1 查阅文献，完成开题报告 2014.12.01 至 2014.12.312 阅读相关文献，制定实验方案 2015.01.01 至 2015.03.103 完成铸铁表面高熵合金涂层的制备及中期检 2015.03.11 至 2015.04.304 完成力学性能测定及实验结
4、果分析 2015.05.01 至 2015.05.155 撰写毕业论文，准备答辩 2015.05.16 至 2015.06.10审核人： 年 月 日I铸铁表面高熵合金涂层工艺及性能研究摘要：高熵合金具有高强度、高硬度、高耐腐蚀性、高耐磨性。铸铁具有成本低廉、铸造性能优良，易于加工、吸震性好等优点。但是由于自身条件的限制，其耐磨性经常不能满足使用要求，且强度低，耐腐蚀性也不好，而高熵合金是正处在研究中，应用并不广泛，技术不够成熟，但高熵合金的性能优异，直接用高熵合金做零部件虽然用有优异的性能，但是成本很高，且不容易加工。然而通过涂层工艺，将高熵合金与铸铁的表层金属融为一体，将大大提高铸铁的性能，
5、同时也使得材料也具有易于加工和成本较低的特点，通过做大量的实验得出在合适的条件下使得高熵合金充分的渗入铸铁表面，再通过检验设备测定实验后的金属表面的硬度，强度等力学性能是否得到较大的提高，最终得出将高熵合金渗入铸铁表层的最佳工艺。关键词：高熵合金、铸铁、表面涂层工艺Study on the technology and properties of high entropy alloy coating on cast ironAbstract：The high entropy alloy has high strength, high hardness, high corrosion resis
6、tance and high wear resistance, Cast iron with low cost and excellent casting properties, easy processing, good shock absorption. But due to the limitations of their own conditions, its wear resistance often fails to meet requirements and low strength and corrosion resistance is not good, and the hi
7、gh entropy alloy is in research, is not widely used, technology is not mature enough, but the performance of the high entropy alloy excellent, directly with high entropy alloys do although component with excellent performance, but the cost is very high, and is not easy to process. However through th
8、e coating process, performance of the high entropy alloy and cast iron metal surface integration, will greatly enhance the cast iron, at the same time, the material also has the advantages of easy processing and low cost characteristics, by doing a large number of experiments that in suitable condit
9、ions the high entropy alloy full infiltration on the surface of cast iron, again through the determination of experimental test equipment of metal surface hardness, strength and other mechanical performance is greatly improved, finally came to a conclusion that the optimum high entropy alloy seeps i
10、nto cast iron surface.Keywords: High entropy alloy Cast iron Surface coating processII目 录1 绪论 .11.1 引言 .11.2 高熵合金的理论依据 .21.3 高熵合金的多主元效应 .31.4 高熵合金的组织和结构 .41.5 高熵合金的性能与应用 .41.5.1 高熵合金的性能 .51.5.2 高熵合金的应用 .51.6 本文的研究与意义 .62 高熵合金涂层的制备 .72.1 配置高熵合金。 .72.1.1 成分设计及原料准备 .72.2 粘合剂的配置 .72.3 高熵合金涂层试样的制备 .93 铸铁
11、表面高熵合金涂层工艺研究 .93.1 高温真空烧结炉的介绍 .93.2 涂层工艺 .103.2.1 将高熵合金涂在基体表面 .103.2.2 烘干铸铁的表面涂层 .103.2.3 在真空加热炉内高温加热，恒温保存 .114 铸铁表面高熵合金涂层组织研究 .164.1 铸铁表面的组织研究 .164.2 八元高熵合金的组织分析 .174.3 经过涂层工艺后试样表面的组织研究 .185. 铸铁表面高熵合金涂层力学性能的研究 .245.1 铸铁表面的力学性能的研究 .245.2 高熵合金的表面力学性能的研究 .255.3 经过涂层工艺后的铸铁表面力学性能的研究 .26III5.4 铸铁及四组试样的力学
12、分析 .306 总结 .32参考文献 .33致 谢 .3411 绪论1.1 引言几千年来,金属材料发展对人类的文明进步有着极大影响。人类从石器时代直到进入钢铁时代,总是把金银铜铁锡等些金属当作生产工具和生活用品、武器的主要原材料。工业革命后,特别是近一百年来,人类开发的合金系统犹如雨后春笋，加工的工艺更是突飞猛进。这一切造就了当今制造业的空前繁荣局面,也极大提高了人类生活水平。目前人类开发并实用化的合金系有30余种，每一个合金系大都是以某一种元素为主体( 含量超过50%),比如以铝为主的铝合金和以铁为主的钢等等。传统合金从开发与研究始终被限在以一元为主思路内，上百年发展已经让新合金系的探索工作
13、到了山穷水尽的地步。然而,合金中如果所含的添加元素过多,将会导致合金内析出了大量复杂的金属间化合物，尤其是脆性化合物，将严重的降低合金的力学性能。对合金成分分析和性能的控制也带来极大困难。所以传统的理论认为，合金元素种类应该越少越好。传统的合金体系一般是以一种元素或者两种元素作为它们的主要组元，而其它元素含量相对较少，远低于其主元的含量。目前人类已经开发并实用化以一元为主的合金系有30余种，每一合金系都是以某一种元素为主体（含量超过50%） 。加入次要主元主要是为使合金达到某些特定性能的需求，例如提高合金的强度和硬度，提高合金的塑性韧性，提高合金的耐腐蚀性和耐高温性能等等。基于人们对物理冶金学
14、和二元、三元相图的理解，加入的主元越多后，人们认为，当合金体系的主元数愈来愈多的情况下，将会导致生成诸多的结构比较复杂的金属间化合物或者脆性相，从而不利于合金的综合性能，这导致我们对合金的组织和性能的研究带来一定的麻烦与困难。然而2004年中期，台湾学者叶均蔚突破了传统的合金体系设计框架，提出了一种全新的合金设计理论，即多主元高熵合金。1.2 高熵合金的理论依据现在学术上很多研究者定义多主元高熵合金一般由五种或者五种以上主元素组成，每种元素按等原子比或者接近摩尔比组成，为了拓宽合金设计的范围，高熵合2金的每种主元的含量在5%-35%之间。在高熵合金中，合金的混合熵高于合金的熔化熵，所以一般情况
15、下形成的是高熵固溶体。熵是热力学种衡量体系混乱程度的一个常用物理量，一个体系的熵越高表示该体系的混乱程度就越大。根据波尔斯曼（Boltzmann ）关于熵变与系统混乱度关系的假设，n 种等摩尔元素混合形成固溶体时产生的摩尔熵变（配位熵）S conf 可以通过以下的公式表示：S conf =-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 代表玻尔兹曼常数，w 代表混乱度，R 代表摩尔气体常数：R=8.3144J/（Kmol） 。由以上公式可知，当 n 取 2 时，即两种元素以等原子数混合时，它的等
16、摩尔合金的混合熵 S conf 是 0.693R，当 n 为 3、4、5、 6 时，它们的等摩尔合金的混合熵S conf 分别为 1.097R、1.386R、1.609R、1.709R 。如果考虑原子振动组态、电子组态、磁矩组态等对熵的正贡献，等摩尔合金的混合熵比计算的还要大。为了发挥多主元的高熵效应，一般定义 n5 的合金为高熵合金。综上所述，等摩尔比合金的摩尔熵（S conf）随着合金主元数 n 的增加而增加。图1.1为等原子比合金混合熵与主元数的关系曲线。图1.1 等原子比合金混合熵 S conf 与主元数 n 的关系曲线31.3 高熵合金的多主元效应高熵合金目前主要有四大效应：（1）热
17、力学上的高熵效应：高熵是高熵合金的鲜明特色，由图 1.1 就可以看出，高熵合金的熵明显要高于传统金属合金，且当合金组元数超过 13 时，混合熵增加不明显。根据热力学知识，吉布斯自由能变 、焓变 、绝对温度 T 及熵变 之GHS间的关系为： （1.9）对于一个系统，吉布斯自由能变 越小整个体STHG G系越稳定。因而在多主元高熵合金系统中，合金的组元数越多，对应的混合熵越大，吉布斯自由能变越小，系统就越趋于稳定。当高熵合金组元数足够多时，混合熵很大，高熵效应就会抑制金属间化合物及复杂化合物的形成，而促进简单固溶体的形成。（2）结构上的晶格畸变效应：当形成二元固溶体时，一定会发生晶格畸变。可以想象
18、多主元的高熵合金一定会发生严重的晶格畸变，严重的晶格畸变必然会影响到材料的力学，热学，电学等一系列性能，如高硬度，高耐磨性，高热阻，高电阻。（3）动力学上的迟滞效应：原子扩散的相变需要元素之间的协同扩散才能达到不同相的平衡分离。这种必要的协同扩散，以及阻碍原子运动的晶格畸变，都会限制高熵合金中的有效扩散速率。在高熵合金的铸造过程中，冷却的相分离在高温区间通常被抑制而会延迟到低温区间，这也就是铸态的高熵合金基体中往往出现纳米析出物的原因所在；在镀膜技术中，缓慢扩散效应体现在多组元系统容易形成非晶态结构，因为晶态相的形核和生长过程都会受到抑制。（4）性能上的“ 鸡尾酒” 效应：高熵合金的 “鸡尾酒”效应是指其多种元素的本生特性和它们之间相互作用使高熵合金呈现的一种复杂效应。由于包含多种主要元素，高熵合金可以看作是原子尺度的复合材料。举例来说，如果使用较多轻元素，合金的总体密度将会减小；如果使用较多的抗氧化元素，如铝或硅，合金的高温抗氧化能力就会提高。1.4 高熵合金的组织和结构
