[发明专利]一种提高单相高熵合金表面性能的方法

说明书

本发明公开了一种提高单相高熵合金表面性能的方法，属于高熵合金表面强化技术领域，其中单相高熵合金为Al_xCrCoFeMnNi合金，其中x表示摩尔数，x＝0‑0.5，单相高熵合金经固溶处理及表面预处理后，采用超声冲击设备对高熵合金表面进行强化处理。所述高熵合金具有单相面心立方结构，超声冲击后高熵合金表面形成一定深度塑性变形层，晶粒明显细化、由表面到芯部形成梯度结构，硬度和耐磨性显著提高。本发明能够在保证高熵合金表面化学成分不变及芯部韧性的同时，在其表面获得细小组织和大量微观缺陷，使其表面硬度提高了1.8‑2.5倍，耐磨性能提高1.3‑2.5倍，方法简单，易操作且安全可靠，耗能小，经济实用。

技术领域

本发明属于表面工程领域，具体涉及一种提高单相高熵合金表面性能的方法，适用于对硬度、耐磨耐蚀性能要求高的高熵合金表面强化处理。

背景技术

传统的合金材料几乎都是以一种金属元素为主，添加特定的合金元素获得具有高强度与韧性、耐蚀性、耐磨性能的合金。多主元高熵合金打破传统合金设计的思维定势，由至少五种以上元素为主元组配合金成分，且每种主元原子分数在5％-35％之间，由多种元素集体领导而表现出优异的性能和潜在的应用前景。

目前，真空电弧熔炼法是高熵合金最常用的制备方法，而高熵合金的研究对象一般是铸态合金样品。根据传统合金的研究结论，铸态样品中通常有铸造缺陷，比如亚稳相的存在、平衡相的抑制、元素偏析、较高的残余拉应力等，这些都将严重影响高熵合金材料的机械性能。特别是有复杂组成元素的高熵合金有极大可能加重合金的铸造缺陷。此外，虽然有文献报道了高硬度、高耐蚀、耐磨性能高熵合金的合金体系设计及制备方法，但仍然存在诸多问题。例如，添加Si、Mn和Mo元素后高熵合金涂层显微硬度提高，但造成了成分偏析的不利影响。此外，添加的Al元素含量过高，显微组织由面心立方向体心立方转变且硬度、耐磨性及耐蚀性能提高，但组织稳定性变差。还有文献报道，添加WC颗粒制备复合高熵合金，其硬度及耐磨性显著提高，但大量金属间化合物的产生反而降低了涂层塑韧性。可见，高熵合金强度的提升普遍以降低其塑性为代价，严重制约了高熵合金在制造业中的应用。

超声冲击处理作为表面纳米化技术，可通过塑性变形使工件表层产生纳米化组织及加工硬化，提高其疲劳寿命和耐磨性能，在金属材料表面自纳米化及焊接接头处理领域应用广泛。超声冲击处理中、高层错能面心立方和体心立方金属，如Al、Fe、Ni及Cu等，位错滑移协调塑性变形，即变形过程中位错界面不断形成并连续地分割晶粒，其晶粒细化机制为超声冲击力作用下的位错分割机制。多主元高熵合金涂层由至少五种主要元素构成，其层错能很低，位错极易分解为层错，孪晶变形更容易。二次孪晶的产生能够使不同孪晶系在后续变形过程中被激活，保证在不牺牲塑性的前提下大幅度提高合金强度，获得高强度、高塑性以及高的加工硬化效果。采用超声冲击技术对高熵合金表面进行强化处理，不但能够提高高熵合金表面质量，还能够提高其硬度和耐磨性能。

专利(CN107326246A)公开了一种高性能高熵合金及其加工方法，通过在Fe₄₀Mn₄₀Co₁₀Cr₁₀合金中引入一定含量的碳元素降低材料的层错能，采用锻造加工方法使高熵合金在室温条件下诱发孪晶。但该发明中为了消除锻造组织，需要进行较高温度长时间保温过程，组织可控性较差，工艺复杂且经济成本高。

专利(CN107083527A)公开了一种热处理结合塑性变形提高单相高熵合金强度的方法，将A_l0.5CrCuFeNi₂高熵合金采用时效处理和轧制压缩变形相结合的方法处理，时效温度为200-950℃，保温时间0.5-5h，然后取出后空冷，进行轧制压缩变形，其变形量为30％-80％，强度提高10％-95％，其综合力学性能优异，拓宽了高熵合金的应用范围。但是采用轧制压缩变形属于宏观塑性变形，变形量大且加工强度高，轧制后高熵合金表面质量差，需进行后续加工方可投入适用。