激光熔覆含硼BCC结构高熵合金涂层强韧化机理研究

High strength and high-entropy FeCoNiCrAlCuBx(Y) alloy coatings with bcc structure and boron addition will be prepared by laser cladding. For the reported strategy to strengthen the high-entropy alloy (HEA) by increasing large atom contents in the HEA composition invariably suffers from the rapidly increased brittleness because of the increased lattice distortion. This project aims at improving the coating strength and toughness by increasing the content of interstitial boron atom to enhance supersaturated solid solution strengthening effect and by controling the grain refinement and boundary strengthening during annealing treatment. The crystal growth orientation will be observed by electron backscatter diffraction (EBSD) technique. The strength, toughness and deformation mechanisms of the bcc supersaturated solid solution structure will be studied by nano-indentation and its elastic modulus, residual deformation test results. The relations of phase selection, microstructure, strength and toughness properties in the coating with the elements atomic radii, electronic constructions and atomic occupations in the crystal will be studied by the first principal calculation, microsturcture and phase analysis. The melt structure, segregation and the effects of component diffusion on the nucleation and growth of the crystalls in the complex multi-principal-element alloy systems during laser rapid solidification will also be studied.

激光熔覆含硼bcc结构FeCoNiCrAlCuBx(Y)高强度高熵合金涂层。针对高熵合金现有通过增加合金元素中大原子含量提高固溶体晶格畸变，但致晶格脆性迅速升高的主要强化方法。基于激光快速凝固动力学条件，避免最大限度提高涂层中超饱和间隙原子硼的含量和间隙固溶强化效果。依据高熵合金涂层特有的退火组织细化现象，结合晶体生长取向电子背散射衍射观察（EBSD），通过热处理工艺调控细晶强化和晶界强化等手段提高涂层强韧性水平。利用微/纳米压痕技术及其弹性模量、残余变形等测试结果研究涂层中超饱和固溶体的强韧化机制和变形机理；结合第一原理计算和组织、结构微观分析，研究组成元素之间混合焓、熔体黏度、电子结构、原子半径差异和原子占位对涂层相选择、相转化、组织和强韧性之间的关联机制；探讨多元复杂合金激光亚稳态凝固过程中的熔体结构和分凝行为，以及元素扩散在涂层中晶体形核和生长过程中的作用。

基于激光快速凝固动力学条件并与常规电弧炉熔炼技术对比，研究小原子硼对激光熔覆含硼FeCoNiCrAlCuBx(Y)高熵合金涂层组织、相结构和性能的影响。 结果表明，硼元素的间隙固溶强化效果高于第二相强化效果。合金混合熵增高能一定程度抑制硼化物析出；与bcc基体相相比，fcc基体相可固溶更多硼元素；添加少量稀土钇也可起到改善硼化物析出形态，同步提高含硼高熵合金强度和韧性的作用。但是，常规熔炼制备多种成分含硼高熵合金均难以完全抑制硼化物析出，合金脆性随着硼化物析出量增加而迅速升高。.与常规熔炼技术相比，激光快速凝固可有效抑制含硼高熵合金中硼化物析出，相同成分下激光熔覆含硼高熵合金涂层硬度和强韧性明显高于常规熔炼技术。项目首先研究了硼元素添加含量对激光熔覆FeCoNiCrAl0.3Cu0.7Si0.1By和FeCoNiCrAl2.3Cu0.7Si0.1By高熵合金涂层的影响。结果表明，两成分系列涂层主要相结构分别为fcc和bcc固溶体，均未发现硼化物的明显析出，组织为典型树枝晶。但随着B元素添加量y值从0.15增加至0.6，枝晶间组织变宽，Cr、Fe在枝晶间富集倾向加剧。硬度和断裂韧性测试表明硼元素添加量y=0.3时涂层具有最优的强韧性。.进一步，在优化的硼元素添加量基础上，调整Al元素含量激光熔覆FeCoNiCrAl(x=0.7,1.0,1.2,1.5,1.8)Cu0.7Si0.1B0.3涂层。研究发现该系列涂层仍具有简单的固溶体相结构，Al元素增加促进fcc基体相向bcc结构转变，而添加B元素能起到稳定fcc相，推迟fcc向bcc相转变的作用。硬度和断裂韧性结果表明Al添加量为1.0和1.2时的两涂层具有最优的综合强韧性。900℃高温退火后，所制备涂层硬度均出现6~10%左右的下降，断裂韧性有所提升，表明含硼高熵合金涂层具有明显的高温热稳定性能。.再进一步，研究其它合金元素对激光熔覆含硼高熵合金涂层组织和性能的影响，发现Mn元素强烈促进fcc基体相形成，Mo元素在利于提高涂层综合强韧性。特别是所制备FeCoNiCrAlSiCuTiMoB0.5成分，涂层主要相为bcc固溶体，显微硬度达到1100 HV，具有较好的断裂韧性。第一性原理计算显示间隙原子硼添加可起到提高相邻原子之间的电子密度和多主元固溶体弹性模量的作用，进而起到良好的固溶强化效果。