彭佳，颜子博，刘兴元

(四川建筑职业技术学院材料工程系，四川德阳618000)

FeCoNiCuCrMn高熵合金涂层性能研究

彭佳，颜子博，刘兴元

(四川建筑职业技术学院材料工程系，四川德阳618000)

利用钨极气体保护焊的方法，在Q235基片上成功制备了FeCoNiCuCrMn高熵合金涂层。XRD结果显示，该涂层形成了简单的FCC结构。室温条件下该涂层的显微硬度达到了435HV0.5，经过850℃退火，涂层的硬度几乎没有变化，表现出良好的高温稳定性。FeCoNiCuCrMn涂层的磨损体积和摩擦系数优于S50C钢。

钨极气体保护焊;高熵合金

随着现代工业的发展，迫切需要能应对极端工程环境的硬质涂层材料。以TiN为代表的硬质涂层已经难以适应工程的需要，开发耐磨性好，硬度高，耐高温的新型涂层材料成为亟待解决的关键课题。2004年，台湾学者叶均蔚教授突破传统的合金设计观念，创新性地提出了多主元合金，并命名为高熵合金(High－Entropy Alloy，HEA)［1－2］。一般认为，高熵合金是指包含5～13种合金元素，组成元素不分主次，含量均在5%～35%，并能够形成高熵固溶体的合金。大量文献报道了高熵合金具有高强度、高硬度、高耐回火软化、高耐磨性、高抗氧化性，耐腐蚀等优异性质［3－7］。

基于高熵合金理念的涂层材料，无疑成为最有研究价值的硬质涂层之一。目前，传统的涂层制备方法均已被用于高熵合金涂层，如激光熔覆［8］，钨极气体保护焊［9］，电化学沉积［10］和磁控溅射［11］等。其中，钨极气体保护焊设备简单，成本低廉，操作简便，可以实现现场制备，具有重要的研究价值。

1 实验

1.1 涂层的制备

选用纯度99%以上，细度200目的金属Fe，Cr，Mn，Ni，Co，Cu粉，按照等摩尔比将其在搅拌罐中充分混合均匀。再与适量的有机溶剂混合，搅拌成糊状。将糊状混合物涂覆在40 mm×20 mm×10 mm的清洁的Q235基片上，涂覆层厚度控制在1.5～2 mm，表面应平整。然后在烤箱中烤干备用。利用钨极气体保护焊熔覆涂覆层，具体参数如表1所示。根据后续实验的要求，将熔覆后的样品进行线切割、打磨、清洗，加工成待测样品。

表1 钨极气体保护焊参数

1.2 XRD

采用X射线衍射仪(XRD)DX－2600型分析涂层的结构，扫描电压为30 kV，范围30°～80°，步长为0.06°。

1.3 显微硬度

采用HXD－1000 Knoop显微硬度仪测试涂层硬度，加载停留15 s，测试10个点，求平均值。

1.4 摩擦性能

采用瑞士CSEM公司摩擦实验机，以Pin－On－Disc无润滑的方式评价涂层的耐磨损性能，磨球是直径为6 mm的SiC。

2 实验结果及讨论

2.1 XRD实验

图1为FeCoNiCuCrMn涂层的XRD图样，可以看出，Fe－CoNiCuCrMn涂层呈现出简单的FCC结构，衍射峰分别在大约44°、50.5°和75°的位置。该峰位很接近α－Cu的特征峰位，可以推断，其余的Fe、Co、Ni、Cr、Mn元素分散在以Cu为基体的FCC的固溶体中，而不是形成复杂的中间相，说明成功制备了高熵合金涂层。

图1 FeCoNiCuCrMn涂层的X射线衍射图

根据玻尔兹曼的假设［12］，假设合金(固溶体)晶体中的原子总数为n。其摩尔混合熵可表述为

式中R为气体常数，当n越大时，混合熵就越高。而根据热力学定律，吉布斯自由能与混合熵的关系为

熵的增加会大大降低吉布斯自由能，而吉布斯自由能更低的结构将会优先形成。当高熵效应导致的自由能低于金属间化合物的自由能时，在凝固过程中将优先形成简单的高熵固溶体，而不是复杂的金属间化合物。

2.2 显微硬度实验

FeCoNiCuCrMn涂层厚度约为1.2 mm，测定了从涂层表面到基片表面不同位置的显微硬度，结果如图2所示，涂层表面的最大硬度达到了约435HV0.5，比基底提高了约50%。这种高硬度可以归结为在制备过程中，快速的冷却速率导致的细晶强化和析出强化［13］。图3是涂层分别经过550～950℃高温退火5 h后硬度的变化情况。可以看出，直到950℃退火，涂层的硬度有比较明显的下降，大约为370HV0.5。而550～850℃退火对涂层的硬度几乎没有影响，能大致保持稳定，表现出良好的耐高温性。这一结果与以前的文献报道基本一致［14］。这一现象与多主元的高熵效应有关［15］，在退火处理过程中，不同的主元因为原子半径不同，晶格发生了畸变，导致元素之间的协同扩散和重新分布溶质元素比常规合金要慢的多。因此，850℃以下温度的退火对涂层硬度几乎没有影响。

图2 FeCoNiCuCrMn涂层的显微硬度

图3 经高温退火后涂层硬度的变化

2.3 摩擦实验结果

图4显示了FeCoNiCuCrMn涂层的磨损体积损失，并与耐磨的S50C钢进行了对比。实验接触应力为262MPa，在无润滑条件下，分别以0.603 m/s，0.905 m/s，1.206 m/s的速度滑动了542.87 m。可以看出，在各种条件下，FeCoNiCu－CrMn涂层的磨损体积明显小于S50C钢。

图5为FeCoNiCuCrMn涂层和S50C钢的摩擦系数对比，实验接触应力为262 MPa，滑动速度为1.206 m/s。可以看出，S50C钢的摩擦系数约为0.70，而FeCoNiCuCrMn涂层的摩擦系数更低，约为0.45，说明FeCoNiCuCrMn涂层有更好的摩擦性能。

S50C钢和FeCoNiCuCrMn涂层的摩擦系数波动都很大，根据这一特点，可以推断为黏着磨损。在摩擦过程中，摩擦副的碎片和碎片的氧化物结合在一起，分别作用于S50C钢和FeCoNiCuCrMn的表面熔覆层，形成黏着磨损。而Fe－CoNiCuCrMn涂层的硬度更高，不容易发生塑性形变，因而磨损体积更小。

图4 磨损体积与摩擦速度的关系

图5 摩擦系数与滑动距离的关系

3 结论

基于实验结果，得到以下结论:

1)利用钨极气体保护焊成功制备了FeCoNiCuCrMn涂层，XRD结果显示形成了简单的FCC结构。

2)FeCoNiCuCrMn涂层的硬度达到了435HV0.5;经过850℃高温退火5 h后，硬度能保持不变。

3)FeCoNiCuCrMn涂层的摩擦性能优于S50C钢。

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(责任编辑杨继森)

Properties of FeCoNiCuCrM n High Entropy Alloy Coatings

PENG Jia，YAN Zi－bo，LIU Xing－yuan
(Department of Materials，Sichuan College of Architectural Technology，Deyang 618000，China)

The FeCoNiCuCrMn high entropy alloy coating was prepared on Q235 substrate by method of gas tungsten arc welding.XRD results show that the coating formed a simple FCC structure.The microhardness of the coating reached 435HV0.5，thewear performance is better than S50C steelwith high temperature stability.

gas tungsten arc welding;high－entropy alloy(HEA)

:A

1006－0707(2014)07－0115－03

format:PENG Jia，YAN Zi－bo，LIU Xing－yuan.Properties of FeCoNiCuCrMn High Entropy Alloy Coatings［J］.Journal of Sichuan Ordnance，2014(7):115－117.

本文引用格式:彭佳，颜子博，刘兴元.FeCoNiCuCrMn高熵合金涂层性能研究［J］.四川兵工学报，2014(7):115－117.

10.11809/scbgxb2014.07.032

2014－03－12

德阳市2012年重点科学技术研究科技支撑计划项目(2012ZZ041－3);四川建筑职业技术学院2012年院级课题。

彭佳(1981—)，男，讲师，主要从事薄膜功能材料研究。

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