激光熔覆SiC陶瓷颗粒增强高熵合金力学性能的实验研究

《Journal of Alloys and Compounds》：Experimental Study on the Mechanical Properties of Laser-Cladded SiC Ceramic-Particle-Reinforced High-Entropy Alloys

采用激光熔覆技术制备了SiC陶瓷颗粒增强的高熵合金涂层，研究了激光参数、SiC含量、Al含量及试样位置对硬度与力学性能的影响。结果表明：扫描速度和粉末输送速率显著提高硬度，最高增幅达22%；SiC和Al含量增加使硬度分别提升20.8%和39.8%，但过量导致晶格畸变，强度先升后降。最大抗拉强度分别为901.95MPa和736.53MPa，试样位置影响较小。

　　

苏玉成|文雪龙|张欣然|宋琳媛|韩凤冰

东北大学机械工程与自动化学院

摘要

采用激光熔覆技术制备了陶瓷颗粒增强的高熵合金（HEAs）。测量了试样的硬度和拉伸性能，并分析了激光加工参数、SiC陶瓷颗粒增强含量、Al元素含量以及试样位置对激光熔覆HEAs硬度和拉伸性能的影响。结果表明，扫描速度和粉末进料速率对硬度有显著影响，而激光功率的影响相对较小。随着SiC颗粒含量和Al含量的增加，由于SiC颗粒中的Si原子以及Al较大的原子半径导致的晶格畸变，HEA熔覆层的硬度分别提高了20.8%和39.8%。然而，过高的SiC颗粒和Al含量会导致微观结构中的严重晶格畸变，使得拉伸性能先改善后恶化。在SiC含量为2 wt.%、Al含量为0.3 wt.%时，最大抗拉强度分别达到901.95 MPa和736.53 MPa。此外，不同高度位置对拉伸性能的影响相对较小。本研究的结果为激光熔覆制备的陶瓷颗粒增强HEAs的制备工艺和机械性能优化提供了重要的理论指导和工程应用价值。

引言

高熵合金（HEAs）因其优异的机械性能（如高强度、良好的热稳定性和出色的耐磨性和耐腐蚀性）而受到广泛关注，这些性能源于其独特的多主元素固溶体结构[1]、[2]、[3]、[4]。在各种制备方法中，激光熔覆[5]、[6]作为一种有效的增材制造技术，因其高能量密度、快速凝固速率以及与基底的强冶金结合性而脱颖而出，能够形成精细且相对均匀的微观结构[7]、[8]。

近年来，许多研究探讨了元素组成和陶瓷相颗粒添加对HEAs微观结构和性能的影响。例如，郭等人[9]通过激光熔覆制备了TiC增强的CoCrCuFeNiSi_0.2涂层，发现TiC含量的增加显著提高了硬度。Ghanbariha等人[10]报告称，在AlCoCrFeNi-_xZrO₂ HEAs中添加10 wt.% ZrO₂后，fcc相和bcc相的硬度分别提高了31%和22%。何等人[11]发现，对FeCrNiCoMnSi_0.1涂层进行焊后超声冲击处理后，微观硬度提高了41%。刘等人[12]在AlCoCrFeNi_2.1中添加了10 wt.% WC颗粒，使其抗拉强度达到972.9 MPa，屈服强度达到449.0 MPa。王等人[13]表明，Y₂O₃的添加改善了WMoTaNb HEAs的微观结构并提高了微观硬度。陈等人[14]证明Mo增强了CrFeNbTiMo_x涂层的硬度、耐磨性和耐腐蚀性。沈等人[15]报告称，SiC增强剂在CoCrFeNi(SiC)_x HEAs中提高了硬度和屈服强度。徐等人[16]观察到AlxCoCrFeNi₃合金的强度随Al含量的增加先提高后降低。高等人[17]发现，在Co₃₀Cr₃₀(FeNi)40?_xW_x HEAs中添加W可以提高屈服强度和抗拉强度。牛等人[18]表明，单独添加Co会降低强度，而Co+Ti的添加则提高了Fe₃₀Ni₃₅Cr_21.25Al_13.75 HEAs的屈服强度和抗拉强度。黄等人[19]报告称，Ni和Nb的含量会影响拉伸性能，其中Ni具有最佳效果，Nb进一步增强了强度。吴等人[20]发现，在CoCrFeNi-AlTi HEAs中添加1 wt.% Ta微合金化可使屈服强度和抗拉强度分别提高17.6%和8.2%。

基于FeCoNiCr的HEAs以其优异的机械性能而闻名[21]。然而，陶瓷颗粒或其他硬质相的掺入仍较少被研究。特别是关于激光熔覆参数对陶瓷颗粒增强HEAs成形质量和性能影响的研究较为有限。因此，研究激光熔覆陶瓷颗粒增强FeCoNiCr HEAs的硬度、拉伸性能及工艺优化具有实际意义。

本研究考察了添加SiC颗粒的激光熔覆FeCoNiCrAl HEAs的机械性能，并分析了激光加工参数、SiC含量、Al含量以及试样位置对机械性能的影响，为高性能增强HEAs的激光熔覆工艺优化提供了见解。

激光熔覆制备过程

激光熔覆的原理如图1所示。高功率激光在基底表面产生熔池，粉末通过载气送入熔池中。粉末在激光照射下熔化并固化形成熔覆层。重叠的熔覆轨迹形成平面层，连续沉积多层后得到致密的金属部件。氩气同时作为保护气体和粉末进料气体。

激光熔覆陶瓷颗粒增强HEAs的加工流程如下：

XRD分析

使用X射线衍射（XRD）对实验制备的样品进行了相分析。采用Fe靶材，测量精度为±0.01°，扫描范围为10°-90°，扫描速率为8°/min。

图5显示了不同SiC含量的Al_0.5+x wt.%SiC（x = 0, 2, 5, 8）高熵合金涂层的XRD图谱。衍射结果表明，这些涂层主要由FCC和BCC固溶体相组成，同时还存在次要相

结论

激光熔覆HEA涂层的硬度由加工参数和成分共同决定。在测试的激光功率范围内（1000–2000 W），硬度变化较小（波动在±5%以内）。相比之下，将扫描速度从4 mm/s提高到12 mm/s可使硬度提高18%，将粉末进料速率从0.7 r/min提高到1.5 r/min可使硬度提高约22%。添加SiC颗粒显著提高了硬度，特别是Al_0.5 + 8 wt.% SiC复合材料

未引用的参考文献

[23]

CRediT作者贡献声明

宋琳媛：资源准备。张欣然：软件支持。韩凤冰：数据管理。文雪龙：项目管理、方法论制定、资金争取。苏玉成：初稿撰写、数据分析、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（项目编号52275412）和中央高校基本科研业务费（项目编号2403015）对本研究的财政支持。

利益冲突声明

全体作者声明不存在利益冲突。