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等离子固态表面冶金FeCoCrNiWMo梯度高熵合金层的制备及工艺研究

高熵合金层；等离子固态表面冶金；Co-Cr-Ni-W-Mo五元共渗；摩擦磨损；高温氧化

本研究采用等离子固态表面冶金技术在纯铁基体表面进行Co-Cr-Ni-W-Mo五元共渗，获得了冶金结合和梯度结构的新型FeCoCrNiWMo高熵合金层，并利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、显微硬度计和摩擦磨损实验机等技术和设备系统研究了不同工艺参数（保温温度、保温时间、工作气压和工作电压）对高熵合金层表面形貌、截面组织、物相结构、耐磨性和抗高温氧化性能的影响规律。分析了高熵合金层在制备过程中原子的溅射行为、各组元粒子间的相互作用以及原子的扩散和沉积现象，探索了高熵合金层的形成机理。同时尝试在TC4合金基材表面制备TiCoCrNiWMo高熵合金层，并与FeCoCrNiWMo进行对比分析。本研究得到的主要结论如下：（1）在不同工艺参数条件下，均成功制备出了冶金结合与梯度结构的FeCoCrNiWMo高熵合金层，且FeCoCrNiWMo高熵合金层的物相相同，均由HCP相和FCC相组成。等电位模式不能持续形成高空位浓度梯度层，加上不同原子尺寸引起的严重的晶格畸变和原子堆积密度的增加，空位形成浓度减少，扩散的阻力增加。因此，纯铁基体表面获得的FeCoCrNiWMo高熵合金层为沉积层+扩散层的复合强化层结构，而不是传统的合金化层（扩散层）。（2）不同工艺参数对FeCoCrNiWMo高熵合金层的影响主要在沉积层，对扩散层的影响较小。沉积层中元素分布均匀，无成分偏析。扩散层中元素含量均呈梯度分布，与基体冶金结合。溅射率高且半径较小的Co、Cr、Ni元素倾向于进入扩散层，溅射率低且半径较大的W、Mo元素倾向于在沉积层富集。保温温度主要控制高熵合金层的生长速率进而影响沉积层的致密度；保温时间主要影响表面形貌进而影响高熵合金层的质量；工作电压主要影响源极和工件的合金元素供给量，进而影响高熵合金层的质量；工作气压主要影响源极的供给能力和工件的吸收能力，进而影响高熵合金层的质量。（3）不同工艺参数条件下获得的FeCoCrNiWMo高熵合金层均可使基体的显微硬度、摩擦磨损性能和抗高温氧化性能得到不同程度的提升。当工艺为:保温温度1300℃、保温时间2h、工作电压900V、工作气压30Pa时，FeCoCrNiWMo高熵合金层由5.5μm沉积层+8μm扩散层组成，组织均匀致密，无气孔、裂纹和杂质等缺陷，综合性能最好，显微硬度、耐磨性和抗高温氧化性能分别是基体的2.3、3.66和5.5倍。（4）在TC4合金基材表面成功制备TiCoCrNiWMo高熵合金层。在保温温度为1000℃时，表面均匀致密，不存在成分偏析。当保温温度高于1000℃时，表面晶粒组织粗化，表面成分出现偏析，性能显著降低。TiCoCrNiWMo高熵合金层的物相相同，主要合金相为：Al₁₁V、Al₉Cr₄、(Ni,Ti)、AlMoTi₂和Co_1.3Ni_4.3Mo_4.6相。TiCoCrNiWMo高熵合金层和FeCoCrNiWMo高熵合金层的差异主要体现在扩散层上，Ti元素与Fe元素相比，溅射率极低，不利于与源极元素形成固溶体。因此，Fe基合金与Ti基合金相比，Fe基合金作为基材制备的新型梯度高熵合金层的成分梯度分布效果更好。