铝合金表面激光熔覆Al-Fe-Mn-Si-Zn系高熵合金涂层的成分设计与耐磨性研究

The use of aluminum alloys as a substitute to cast iron in engine blocks effects a considerable weight reduction, which is beneficial to producing fuel efficient vehicles and reducing the consumption of fossil fuels. But the poor wear resistance of aluminum alloys does not allow its extensive use. Surface modification is an attractive method to solve the problems, and high entropy alloys are considered attractive coating materials for enhancing surface behaviour. Multi-principal element alloy, containing several main elements, instead of a single major element for the traditional alloy, is a new concept in alloy design. By appropriate selection of the alloying elements, these alloys can have their properties tailored to the desired performance, such as high hardness, good thermal stability and excellent wear resistance. It is proposed to develop laser clad high entropy alloy coatings that can improve tribological properties of aluminum alloys. And our focus is to develop a composition design method of high entropy alloy coatings based on CALPHAD technique. A thermodynamic database containing Al, Fe, Mn, Si and Zn will be built and updated. Al-Fe-Mn-Si-Zn system high entropy alloys will be deposited by laser cladding on aluminum alloy substrate. The processing parameters, microstructure and tribological properties under room temperature dry sliding wear test conditions and oil lubrication wear test conditions will be investigated.

发动机组中用铝合金代替铸铁能大大减轻重量，从而有利于降低油耗。但是铝合金耐磨性较差，限制了其更广泛的应用。表面改性技术是解决这个问题有吸引力的一种方法。而高熵合金是能提高表面性能的一种新材料，通过合理的成分设计，可以获得所需要的性能，例如高硬度、好的热稳定性和耐磨性。本项目提出在铝合金表面激光熔覆高熵合金涂层来提高铝合金的耐磨性。研究的重点是发展出一种基于CALPHAD技术的多主元合金涂层设计方法。将建立包含Al、Fe、Mn、Si、Zn等元素的热力学数据库，并用于指导涂层成分的设计和研究高熵合金的合金化规律。将在铝合金表面激光熔覆制备Al-Fe-Mn-Si-Zn系高熵合金涂层，研究激光熔覆工艺参数、微观组织以及干摩擦和油润滑摩擦条件下的摩擦磨损机理。

为了解决铝合金表面耐磨性差的问题，本项目提出在铝合金表面激光熔覆高熵合金涂层来提高铝合金的耐磨性，并用 CALPHAD方法来帮助材料的分析与成分设计。具体成果如下：.(1)选择合适的热力学模型模拟各相的热力学性质随温度、压力、成分等的变化，建立了包含Al、Cr、Co、Fe、Mn、Si、Zn等元素的多主元合金专用热力学数据库。建成的高熵合金热力学数据库总共包括101种物相，包含了所有子二元和部分子三元的热力学评估参数。.(2)利用YAG激光器在6061铝合金表面激光熔覆Al-Fe-Mn-Si系多主元合金涂层的工艺理想取值范围为：扫描速度V=4~5mm/s、峰值功率pm=5~6kw、脉冲宽度tp=6~8ms、离焦量D=4~5mm、频率f=8HZ。.(3)利用优化的激光熔覆工艺，在铝合金表面得到的涂层宏观质量较好。熔覆层由等轴晶与树枝晶组成，过渡区出现平面晶组织。激光熔覆制备的AlFeMnSiZn 多主元合金涂层和AlFeMnCoCrSix多主元合金涂层的相组成主要是具有简单FCC结构的α-Al固溶体，AlFeMnSiZn 多主元合金涂层中还生成了少量金属间化合物Al13Fe4和Al6Mn；AlFeMnCoCrSix多主元合金涂层中出现了金属间化合物Al8Fe2Si、Al13Fe4、Al6Mn，且随着Si含量的降低，生成的金属间化合物增多。热力学计算能较好解释物相的形成。.（4）AlFeMnSiZn 多主元合金涂层的表面显微硬度可达330HV0.2；相比于基体的硬度102 HV0.2，提高了2倍。AlFeMnCoCrSix多主元合金涂层比基体的硬度提高了3~7倍。磨损试验结果表明，AlFeMnSiZn 多主元合金涂层的磨损体积为基体磨损体积的1/4，磨损机制为粘着磨损和轻微的磨粒磨损同时作用。AlFeMnCoCrSix多主元合金涂层都存在磨粒磨损和一定程度的剥落，磨损体积为基体磨损体积的0.14~0.34倍，其中AlFeMnCoCrSi0.7多主元合金涂层由于韧性相和硬质颗粒的搭配比例最合适，耐磨性最好。.（5）在完成原任务书研究计划的同时，还探索性研究了其他有色金属包括Co、Ti、Zr等在激光表面处理过程中，不同参数对组织性能的影响，以及高熵合金在形变和热处理时组织的变化。