工艺参数对H13 钢表面激光熔覆高熵合金成型和性能的影响*

2022-03-31陈路林李先芬

焊管 2022年3期

0 前言

H13 钢具有较高的热强度、硬度、高耐磨性、韧性及较好的耐热疲劳性能，广泛应用于各类锻模、热挤压模的制造。由于H13 钢在使用过程中承受着磨损、热疲劳、冲蚀、应力腐蚀和表面热焊合等作用，其使用寿命会降低，通过改善其表面组织及性能可有效提高使用寿命

。

基于热力学概念对高熵合金进行初步定义，高熵合金指具有5 种或5 种以上的主元，原子比相等或接近等原子比，每种主元的含量为5%～35% ，混合熵不低于12.64 J/（mol·K）的合金

。激光熔覆技术作为新型的金属材料表面强化技术，以其对基体的热传导低、热影响区较小和基体变形较少的优点而得到广泛应用

。

激光熔覆高熵合金是目前热点的研究方向，已有的研究成果主要是利用高熵合金在性能上的“鸡尾酒” 效应，即通过调整合金的成分或者元素来改善其性能

。李刚等

在40Cr 钢表面制备掺杂铬铁原矿粉的CrFeNiSiAl

高熵合金涂层，熔覆层为单一的BCC 相，与基体冶金结合良好，显著提升了40Cr 钢的硬度和耐磨性。郝文俊等

研究了45 钢表层激光熔覆CoCrFeNiSi

高熵合金涂层的组织及性能，其中Si 对于熔覆层的性能有很大影响。

本研究通过激光熔覆技术制备特定成分的高熵合金并使其作为H13 钢的耐磨、耐腐蚀层。采用LWS-1000 型Nd： YAG 激光器，通过改变激光熔覆工艺参数，在H13 钢表面制备Co

Cr-FeNi

高熵合金熔覆层。该高熵合金体系中，Fe 是为了改善熔覆层与H13 钢基体之间的润湿性；高熵合金的相通常为BCC 相或FCC 相固溶体，并且BCC 相的硬度高于FCC 相

；适量增加Ni 和Co 的含量以降低熔覆层的脆性和裂纹倾向，并改善熔覆层和基底之间的润湿性

。本试验对熔覆层的成形、相组成、硬度和耐磨性进行了研究，并探求在H13 钢表面激光熔覆Co

Cr-FeNi

高熵合金的最佳工艺参数。

1 试验材料及性能检测

1.1 试验材料与合金制备

本研究选用的基体材料为H13 钢，尺寸为200 mm×300 mm×10 mm 平板件。熔覆层粉末为Co

CrFeNi

。金属粉末目数与纯度见表1。

高熵合金通常具有较高的硬度

，因高熵效应易形成BCC 相和FCC 相固溶体，提高了合金的力学性能，同时晶格畸变和滞迟效应也对合金性能起到了强化作用

。图3 为不同功率下熔覆层表面硬度变化曲线，可见随着功率的增加，熔覆层平均硬度先增加后降低。当功率为150 W时，由于激光能量不足，粉末并未完全熔化，导致熔覆层成形和硬度不均匀；当功率过大时，粉末发生烧蚀氧化，且吸收热量增加，冷却速度降低、硬度降低；当功率为180 W 和200 W 时，粉末充分吸收热量，完全熔化并形成高熵合金，熔覆层成形较好，形成BCC 相和FCC 相固溶体，硬度较高。

表4 为200 W 功率下摩擦磨损试验前后试样平均质量变化及平均磨痕深度。从表4 可知，高熵合金熔覆层（功率200 W、扫描速度300 mm/min）平均磨痕深度最小，磨痕深度为0.082 μm，质量损失也最小，为0.000 4 g。熔覆层硬度越高，组织抗塑性变形的能力也越强，这抑制了对磨副在熔覆层表面上的切削，并且磨损量相对较小。在保证熔覆层成形良好的前提下，扫描速度增加，熔覆层的耐磨性随之降低，较高的扫描速度可能导致粉末不能完全熔化并形成高熵合金，所以熔覆层的力学性能会降低。

1.2 形貌观察和性能检测

采用蔡司Stemi305 体视镜对宏观形貌进行观察，放大倍数为8～40 倍，观察激光熔覆层表面宏观形貌变化、横截面形貌变化，以及熔深和熔宽的变化。采用蔡司Gemini500 扫描电镜，对摩擦磨损试样的磨痕进行观察，分析试样的磨损机理；采用X’ Pert PRO MPD 型X 射线衍射仪，对激光熔覆高熵合金的试样进行物相分析。

图5、图6 分别是不同扫描速度下的熔覆层表面形貌和截面形貌。不同激光扫描速度下，熔覆层表面形貌区别较大。激光扫描速度为300 mm/min、 400 mm/min 和500 mm/min时，熔覆层表面平整，成形质量较好，形成了类似激光焊接的焊道形貌，此时单位时间热输入较小，高熵合金粉末吸收的激光能量合适。当激光扫描速度较低时，熔覆后的表面形貌变得不平整，这是由于扫描速度较小，粉末吸收热量较多，易发生氧化烧蚀，冷却后表现为焊道形貌不规则。

耐磨试验采用MFT-EC4000 电化学腐蚀摩擦磨损实验仪，试样尺寸为10 mm×10 mm×10 mm，对磨副为Φ6 mm 的氮化硅陶瓷球。试验条件为干摩擦，试验力为15 N，往复频率为0.5 Hz（6 mm/s），行程5 mm，试验时间为20 min。试验前需对试样表面进行打磨抛光处理，并用超声波清洗。在试验前后分别对试样进行称重，得出磨损失重。试验采用Form Talysurf PGI 800 型粗糙度轮廓仪测量磨痕深度，得到平均磨痕深度。通过对比失重和平均磨痕深度得出试样耐磨性的高低。

2 试验结果与分析

2.1 激光功率对高熵合金熔覆层的宏观形貌和性能的影响

综合激光功率对宏观形貌、微观结构、硬度、耐磨性的影响，当激光功率设定为200 W时，熔覆层的综合力学性能最优。

图2 为不同功率下熔覆层横截面宏观形貌。由图2 可见，当功率为230 W 和250 W 时，熔覆层起伏较大且表面热输入量过大导致烧蚀，基材与熔覆层的元素互相扩散，严重影响熔覆层高熵合金成分和力学性能；当功率为180 W 和200 W时，熔覆层成形良好，形貌平整，与基体结合良好，无宏观裂纹和气孔，焊道成形平整均匀；当功率为150 W 时，熔覆层厚度明显减小，焊道成形不均匀，有部分粉末未熔化。结果表明，功率为180 W 和200 W 时，熔覆层成形最佳。

图1 所示为不同激光功率熔覆层表面形貌。从图1 可见，当功率为150 W 时，熔覆层表面起伏不定，部分高熵合金粉末熔化不充分，影响高熵合金的成分和熔覆层力学性能；当功率分别为180 W 和200 W 时，熔覆层表面成形良好，呈规则鱼鳞状，较为平整，并未出现严重烧蚀、局部裂纹等缺陷；当功率为230 W 和250 W 时，熔覆层表面呈严重凹凸不平状，这是因为焊接热输入过大，熔覆层与基材发生氧化烧蚀现象，破坏了熔覆层的成形。

采用LWS-1000 型Nd： YAG 激光器，在熔覆过程中通入氩气保护，气流量为12 L/min。试验选用激光功率为150～250 W，扫描速度为100～500 mm/min。为保障熔覆层质量，需在铺置高熵合金粉末前对基体H13 钢用砂纸打磨并抛光至镜面，并用乙醇清洗干净。高熵合金粉末按比例称重后倒入研磨钵中，加入适量酒精并充分研磨至糊状，置于H13 钢表面，利用刮刀控制熔覆层厚度为250 μm。放入干燥箱低温干燥1 h，取出冷却至室温后，即可进行激光熔覆。

对不同功率下形成的熔覆层进行摩擦磨损性能测试，通过试样磨损失重和平均磨痕深度衡量试样的耐磨性能。磨痕深度越小，试样耐磨性能则越好；质量损失越小，试样耐磨性能越好

。当功率230 W 时，熔覆层表面出现了严重的氧化烧蚀，故不进行耐磨性能测试。为保证摩擦磨损试验的进行，试验前对熔覆层表面须进行打磨抛光。

表3 为扫描速度300 mm/min 时不同激光功率对耐磨性的影响。从表3 可以看出，激光功率200 W 时，高熵合金熔覆层平均磨痕深度最低为0.082 μm，质量损失最低为0.000 4 g。测试结果表明，较高平均硬度的熔覆层，其耐磨性能也更好，遵循了Archard 定律（材料的维氏硬度越高，材料的耐磨性能越好）。图4 为不同功率高熵合金熔覆层试样磨痕，功率为150 W 和180 W 时，可以观察到磨损表面较为平整，仅有较为稀疏的犁沟，且犁沟较浅。分析认为是熔覆层被破坏剥落，产生了磨屑。磨屑在法向载荷的作用下，发生塑性变形；在摩擦热影响下，产生更多的磨屑并黏附在磨损表面，主要磨损形式为黏着磨损。功率为200 W 时，可以观察到稀疏的犁沟，且犁沟较浅，存在磨粒，磨损形式为磨粒磨损和黏着磨损。

激光功率通过改变激光热输入的大小，间接影响高熵合金粉末的熔凝和熔池内部金属的流动，控制熔覆成形

。基于前期试验和激光设备功率范围，先将扫描速度预设为300 mm/min，通过改变激光功率研究对成形的影响，参数设计见表2。

长期失眠、情绪不稳、植物神经功能障碍可导致内分泌、免疫等方面的失调，进而引发躯体疾病。因此，对神经衰弱进行治疗，具有积极意义，合适用药并观察反应，当患者服药治疗时，保证给药的顺利完成，并观察患者的反应情况，及时与医师沟通。常用的治疗药物（见表2）：

2.2 扫描速度对熔覆层形貌及性能的影响

扫描速度决定单位时间内热输入量，而这一参数直接影响激光熔覆过程和激光加工的效率。由激光能量公式E=P/Dv 可知，当光斑直径D 和功率P 不变时，线能量E 与扫描速度v 成反比。采用控制变量法，激光功率选定200 W 不变，改变扫描速度，扫描速度范围100～500 mm/min，参数设置区间为100 mm/min，用纯度为99.99%的高纯氩气作为保护气体。

硬度测试采用维氏显微硬度计，沿硬化区和熔覆层横截面正中从上至下取点测试，测试不同深度硬度变化。加载载荷为50 g，保载时间为10 s。

图7 为不同扫描速度对熔覆层硬度的影响。随着扫描速度的增加，熔覆层平均硬度先增加后降低。激光扫描速度为100 mm/min 时，速度过慢，热量过大导致合金表面氧化层被灼烧，同时高熵合金被稀释，导致硬度下降；扫描速度为300 mm/min 时，线能量和冷却速度适中，硬度明显增大；扫描速度为500 mm/min时，热量过低，粉末不能完全熔化形成高熵合金，熔覆层内部易产生气孔等缺陷，使得熔覆层硬度较低。

对不同扫描速度下熔覆层进行摩擦磨损性能测试。由于扫描速度为100 mm/min 和200 mm/min的熔覆层表面出现了氧化烧蚀，且熔覆层成形表面不平整，所以不进行耐磨性能测试。对熔覆层表面进行研磨抛光，通过试样磨损失重和平均磨痕深度评价试样的耐磨性能。

从RTA涉及成员国的数量来看，双边RTA对于WTO+和WTO-X的条款覆盖率及法定承诺率明显高于多边RTA。在WTO+领域，双边RTA的平均条款覆盖率达到了77%，平均法定承诺率也超过了70%；在WTO-X领域，双边RTA两者比率分别为33%和16%。多边RTA由于涉及的经济体更多，各参与经济体的诉求不同导致谈判议题不断增多，使得整个RTA谈判难度和签约成本更大，故而条款质量比较难以达到较高水平，总体质量水平较低。亚太地区已实施的6个多边RTA，关于传统WTO+领域的总体条款覆盖率和法定承诺率分别为69%和65%，而新一代WTO-X领域两者的比率仅达到30%和10%。

我国现行《婚姻法》虽已明确规定无过错配偶方对过错配偶方的损害赔偿责任请求，但对于能否向干扰婚姻关系的第三人提出损害赔偿，我国法律并无规定。当第三人干扰婚姻关系时，无过错方的配偶利益很难得到更为全面的法律救济。为了更好地实现无过错配偶方的合法权益，笔者认为必须建立侵害夫妻关系时第三人应当承担法律责任这一制度。

当然，为学生讲解那些物理学科伟人的“过失”还可以让学生在这个过程中加入课堂的分析、思考，从而可以不断提升学生在课堂中的参与度，更能在潜移默化里培养他们的科学思维和物理观念。

图8 所示为200 W 功率下不同扫描速度高熵合金熔覆层试样磨痕，从图8 可见扫描速度为500 mm/min 时，熔覆层表现出明显的黏着磨损，熔覆层组织在磨损过程中发生剥落，并在法向载荷和摩擦热影响下黏着在磨痕表面；扫描速度为300 mm/min 和400 mm/min 时，表现为黏着磨损和磨粒磨损同时存在，可观察到明显的犁沟；扫描速度为300 mm/min 时，犁沟明显较浅且稀疏；扫描速度为400 mm/min 时，可观察到熔覆层组织的剥落，犁沟明显较多且较深。综合分析，扫描速度为300 mm/min 时，高熵合金熔覆层耐磨性能较好。

2.3 高熵合金熔覆层物相分析

图9 为功率200 W、扫描速度300 mm/min的Co

CrFeNi

高熵合金熔覆层表面XRD图谱，可以观察到，熔覆层相组成为BCC 相和FCC 相，表明通过激光熔覆在H13 钢表面制备了Co

CrFeNi

高熵合金熔覆层。

杜春云[11]以患者的疗效、睡眠总时间、睡眠潜伏期、睡眠效率等为评价指标，比较了黛力新单独用药和黛力新联合地西泮用药的情况，结果显示，黛力新联合地西泮用药治疗患者的睡眠总时间、睡眠潜伏期、睡眠效率以及治疗的总效率均优于黛力新单独用药的患者。王洁[12]将69例急性心肌梗死后焦虑患者随机分为三组，分别给予患者服用参松养心胶囊、地西泮和参松养心胶囊与地西泮联用。结果发现，参松养心胶囊和地西泮单用来治疗急性心肌梗死后焦虑的疗效相当，无差异，而同事服用参松养心胶囊与地西泮的患者，疗效要显著优于单一用药。

准确把握好新闻事件事态是每一位新闻编辑必须具备的技能，并且也只有这样才能够在当前媒体融合时代下站稳脚步。首先，新闻编辑需要不断提升自身专业技能，并且整理好各种新闻信息数据，从幕后转至台前，使得大众信服；其次是做好和大众的沟通，科学地进行话题引导；最后是还得具备较强的社会素养，积极和自己的团队进行沟通。现今，企业在进行新闻编辑招聘的时候，通常会要求新闻编辑具备较强的组织能力，这也是媒体融合时代背景下对新闻编辑社会素养要求的表现之一。

传统合金理论中，合金凝固后形成原子有序分布的相，而高熵合金凝固后为固溶体组织。目前关于高熵合金的形成机理，主要通过高熵合金体系中各元素的原子半径差、混合焓、价电子浓度和混合熵等参数进行研究。有部分研究者提出，高熵合金的固溶体形成机理可以从高熵合金体系中元素的本身性质进行分析，高熵合金可以理解为高熵合金体系中各元素的二元合金凝固后得到的组织，同时各元素之间相互固溶形成了固溶体相

。

情况 7.1 若f3(v)=0,此时最坏的情况是v点关联9个6-面,v的邻点全部为3-点且这些3-点均关联着一个三角形。由R1,R2.1,R3.1或R3.2或R3.4得

3 结论

（1）当激光功率较小时，激光能量不足，粉末存在未完全熔化的现象，熔覆层成形不均匀；激光功率较高时，粉末发生氧化烧蚀；激光功率为200 W 时，表面成形好，力学性能优良。

（2）在200 W 激光功率下，使用不同激光扫描速度，熔覆层截面形貌区别较大，在合适的激光扫描速度下，熔覆层表面成形质量较好。较低的激光扫描速度，粉末发生氧化烧蚀，冷却焊道形貌不规则。通过对比不同激光功率和扫描速度下的熔覆层的宏观形貌、显微硬度及耐磨性，总结得出，激光功率200 W、扫描速度300 mm/min 是较优的激光熔覆参数。

（3）对功率200 W、扫描速度300 mm/min的Co

CrFeNi

激光熔覆层进行了XRD 测试，结果显示熔覆层由BCC 相和FCC 相组成，表明通过激光熔覆试验在H13 钢表面制备了Co

CrFeNi

高熵合金熔覆层。

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