Al0.5FeCoCrNi高熵合金在液固兩相流中的沖蝕磨損性能

溫建程，唐群華，戴品強(qiáng)，2

（1.福州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，福州 350108；2.福建工程學(xué)院材料科學(xué)與工程系，福州 350108）

0 引 言

沖蝕磨損是指材料受到流動(dòng)粒子沖擊而導(dǎo)致表面損耗的現(xiàn)象。在水力機(jī)械中，沖蝕磨損尤為突出，是材料破壞和設(shè)備失效的一個(gè)重要原因。在含沙量較高的河段，水利水電設(shè)施在液固兩相流作用下的沖蝕磨損現(xiàn)象很嚴(yán)重［1－3］。目前，在液固兩相沖蝕環(huán)境中工作的設(shè)備（如水輪機(jī)葉片等）大都采用不銹鋼制造，但該鋼的沖蝕磨損性能較差［4－5］。因此，尋求一種沖蝕磨損性能更好的替代材料一直是研究人員追求的目標(biāo)。

葉均蔚［6］最早提出了高熵合金的概念。與傳統(tǒng)合金以一種或兩種元素為主元不同，高熵合金以不少于5種元素為主元，每種元素所占的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為5%～35%［7］，即此類合金是由多種元素集體作用而形成的，因此表現(xiàn)出了與傳統(tǒng)合金不同的特性。通過不同的元素成分設(shè)計(jì)，高熵合金可以獲得優(yōu)異的性能，如高的強(qiáng)度［8］、硬度［9］以及優(yōu)良的耐高溫回火軟化性能［10］、耐腐蝕性能［11］、耐磨損性能［12］等，有望成為制造水輪機(jī)葉片等的理想材料，但關(guān)于其在液固兩相流中沖蝕磨損性能的研究一直是空白。因此，作者對(duì)Al0.5FeCoCrNi高熵合金在模擬液固兩相流環(huán)境中的沖蝕磨損性能進(jìn)行了研究，并與目前水輪機(jī)葉片材料00Cr13Ni5Mo不銹鋼進(jìn)行了對(duì)比，為擴(kuò)大高熵合金的應(yīng)用提供一定的試驗(yàn)依據(jù)和理論參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

以純度超過99%的純金屬鋁、鈷、鉻、鐵、鎳為原料，按照物質(zhì)的量比配料后，采用GDJ500C型多功能熔煉爐在氬氣保護(hù)下熔煉Al0.5FeCoCrNi高熵合金。鑄錠的質(zhì)量約為50g，熔化溫度為2000℃（為保證高熵合金成分均勻，均反復(fù)熔煉4次）；然后在EX2－4－13T型箱式電阻爐中進(jìn)行熱處理，溫度分別為800，1000℃，保溫12h后進(jìn)行水淬處理。將高熵合金和取自水輪機(jī)葉片上的00Cr13Ni5Mo不銹鋼線切割成10mm×10mm×3mm的試樣，依次采用400＃、600＃、800＃、1200＃SiC砂紙打磨其表面，然后放入酒精中進(jìn)行超聲清洗。

Al0.5FeCoCrNi高熵合金與00Cr13Ni5Mo不銹鋼的化學(xué)成分如表1所示，它們的硬度分別為204HV（鑄態(tài)）和263.5HV。

沖蝕磨損試驗(yàn)在自行設(shè)計(jì)的沖蝕磨損試驗(yàn)裝置上進(jìn)行，裝置由電機(jī)（提供動(dòng)力）、轉(zhuǎn)軸、裝置盤、試樣夾等組成，如圖1所示。其中，在裝置盤上距圓心50mm處均勻分布兩組與線速度方向成0°，30°，45°，60°，90°的通透矩形孔，用于固定試樣夾。試樣夾整體呈“T”字形，底部帶有凹槽，用于夾持試樣。沖蝕試驗(yàn)過程中試樣的非暴露面用石蠟涂封。

表1 Al0.5FeCoCrNi高熵合金與00Cr13Ni5Mo不銹鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of Al0.5FeCoCrNi high－entropy alloy and 00Cr13Ni5Mo stainless steel（mass） %

圖1 沖蝕磨損試驗(yàn)裝置示意Fig.1 Abridged general view of erosion wear experiment device

試驗(yàn)介質(zhì)選用石英砂（平均粒徑300μm，硬度1120HV）與水混合而成的砂漿（m水：m沙＝5∶1），模擬含沙河流中水輪機(jī)的工作環(huán)境，溫度為室溫。石英砂的沖蝕速度分別為2.0，3.6，6.8m·s－1；沖蝕時(shí)間分別為2，4，8，12，16h；沖蝕角度分別為0°，30°，45°，60°，90°。

用精度為0.1mg的感量光電分析天平稱量試樣沖蝕磨損前后的質(zhì)量，并采用式（1）計(jì)算試樣的質(zhì)量損失率。

式中：ε為試樣的質(zhì)量損失率，g·m－2；Δm為質(zhì)量損失，g；S 為試樣的表面積，m2。

利用XJZ－6A型光學(xué)顯微鏡觀察試樣沖蝕前的顯微組織，腐蝕劑為王水（VHCl∶VHNO3＝3∶1）；采用HVS－1000型顯微硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試，載荷為4.90N，加載時(shí)間為10s，取5個(gè)點(diǎn)的平均值；采用S－3400Ⅱ型掃描電鏡（SEM）觀察沖蝕磨損后的表面形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織和硬度

由圖2可知，鑄態(tài)Al0.5FeCoCrNi高熵合金的組織為典型的樹枝晶形貌，00Cr13Ni5Mo不銹鋼為條狀馬氏體組織。馬氏體屬于硬度很高而韌性較差的組織，故不銹鋼的強(qiáng)度和硬度高于高熵合金的。

由圖3可見，在800，1000℃淬火處理后，高熵合金仍為樹枝晶形貌，由枝晶相和枝晶間相組成，且晶粒內(nèi)存在析出的細(xì)小第二相，這些第二相彌散分布，能夠顯著提高高熵合金的強(qiáng)度［13］。高熵合金在800℃和1000℃淬火后的硬度分別為357.3，249.8HV，均高于鑄態(tài)的（204HV）。

圖2 鑄態(tài)Al0.5FeCoCrNi高熵合金和00Cr13Ni5Mo不銹鋼的顯微組織Fig.2 Microstructure of Al0.5FeCoCrNi high－entropy alloy and 00Cr13Ni5Mo stainless steel

圖3 Al0.5FeCoCrNi高熵合金在不同溫度熱處理后的顯微組織Fig.3 Microstructure of Al0.5FeCoCrNi high－entropy alloy after heat treatment at different temperatures

2.2 沖蝕參數(shù)和熱處理對(duì)沖蝕磨損性能的影響

2.2.1 沖蝕角度的影響

圖4 Al0.5FeCoCrNi高熵合金和00Cr13Ni5Mo不銹鋼質(zhì)量損失率－沖蝕角度的關(guān)系曲線（沖蝕速度為3.6m·s－1，沖蝕時(shí)間為4h）Fig.4 Relationship curves between impact angle and weightlessness rate of Al0.5FeCoCrNi high－entropy alloy and 00Cr13Ni5Mo stainless steel（erosion rate of 3.6m·s－1and erosion time of 4h）

由圖4可知，當(dāng)沖蝕速度為3.6m·s－1、沖蝕時(shí)間為4h時(shí)，在各沖蝕角度下，Al0.5FeCoCrNi高熵合金的質(zhì)量損失率均低于00Cr13Ni5Mo不銹鋼的；在沖蝕角度為30°和60°時(shí)，二者的質(zhì)量損失率均較低，沖蝕角度為0°和90°時(shí)的質(zhì)量損失率均較大，沖蝕角度為45°時(shí)的質(zhì)量損失率最大，沖蝕磨損最為嚴(yán)重。這表明，在不同沖蝕角度下，材料所受的沖蝕效果不同。這主要是由于，介質(zhì)（砂漿）作用在試樣沖蝕面上的力可分解為水平分量和垂直分量，它們對(duì)材料造成損傷的機(jī)制不同［14］；水平分量對(duì)沖刷面產(chǎn)生微切削作用，而垂直分量則產(chǎn)生撞擊。隨著沖蝕角度的變化，這兩種損傷機(jī)制此消彼長(zhǎng)，相互作用［15］。在小角度沖蝕時(shí)，水平分量的作用較強(qiáng)，因而材料損失的主要原因是切削；在大角度沖蝕時(shí)，垂直分量的作用突出，固相粒子撞擊材料表面引起材料流失占主導(dǎo)［16］。沖蝕角度為0°時(shí)的質(zhì)量損失率明顯小于90°時(shí)的，說明垂直分量產(chǎn)生的撞擊對(duì)材料損失的影響比水平分量產(chǎn)生的切削作用對(duì)材料的影響更為突出。當(dāng)沖蝕角度為45°時(shí)，切削和撞擊共同作用于材料表面，此時(shí)產(chǎn)生的損傷最大，所以材料的質(zhì)量損失率最大。據(jù)文獻(xiàn)［17］報(bào)道，脆性材料的質(zhì)量損失率隨沖蝕角度的增大而增大，最大質(zhì)量損失率在90°處，而韌性材料的最大質(zhì)量損失率在15°～40°之間，與本試驗(yàn)的結(jié)果（45°沖蝕角度下的質(zhì)量損失率最大）相似，這也說明Al0.5FeCoCrNi高熵合金和00Cr13Ni5Mo不銹鋼呈現(xiàn)出了韌性材料的沖蝕磨損特性，這一點(diǎn)將通過下文的沖蝕形貌加以佐證。

2.2.2 沖蝕速度的影響

由圖5可見，當(dāng)沖蝕角度為90°、沖蝕時(shí)間為4h時(shí)，各沖蝕速度下Al0.5FeCoCrNi高熵合金的質(zhì)量損失率均小于00Cr13Ni5Mo不銹鋼的；這兩種材料的質(zhì)量損失率均隨著沖蝕速度的增大而增大。這是由于隨著沖蝕速度增大，沖蝕介質(zhì)作用在試樣表面的動(dòng)能也相應(yīng)增大，試樣表面的破壞程度增加［18］，導(dǎo)致材料的沖蝕磨損加劇，故而質(zhì)量損失率增大。隨著沖蝕速度由2.0m·s－1增加到6.8m·s－1，兩種材料的質(zhì)量損失率均大幅增加了近7倍，這說明沖蝕速度對(duì)材料質(zhì)量損失率的影響較為突出。

圖5 Al0.5FeCoCrNi高熵合金和00Cr13Ni5Mo不銹鋼質(zhì)量損失率－沖蝕速度的關(guān)系曲線（沖蝕角度為90°，沖蝕時(shí)間為4h）Fig.5 Relationship curves between erosion rate and weightlessness rate of Al0.5FeCoCrNi high－entropy alloy and 00Cr13Ni5Mo stainless steel （erosion angle of 90°and erosion time of 4h）

2.2.3 沖蝕時(shí)間的影響

由圖6可知，當(dāng)沖蝕速度為3.6m·s－1、沖蝕角度為90°時(shí)，Al0.5FeCoCrNi高熵合金與00Cr13Ni5Mo不銹鋼的質(zhì)量損失率都隨著沖蝕時(shí)間的延長(zhǎng)而呈線性增加，且前者的質(zhì)量損失率低于后者的。

上述結(jié)果表明，在相同的試驗(yàn)條件下，與00Cr13Ni5Mo不銹鋼相比，雖然 Al0.5FeCoCrNi高熵合金的硬度較低，但其耐沖蝕磨損性能更好。由此可見，材料的硬度并不是其沖蝕磨損性能的決定性因素。文獻(xiàn)［19］也表明陶瓷材料的硬度很高，但其沖蝕磨損性能并不理想。

2.2.4 熱處理的影響

在相同的沖蝕條件下，鑄態(tài)Al0.5FeCoCrNi高熵合金的質(zhì)量損失率為6.1223g·m－2，其在1000，800℃熱處理后的質(zhì)量損失率分別為5.2398，3.5779g·m－2?？梢姡瑹崽幚砗蟾哽睾辖鸬馁|(zhì)量損失率均比鑄態(tài)的低，這表明熱處理能夠提高Al0.5FeCoCrNi高熵合金的沖蝕磨損性能。

2.3 表面沖蝕形貌

圖6 Al0.5FeCoCrNi高熵合金和00Cr13Ni5Mo不銹鋼質(zhì)量損失率－沖蝕時(shí)間的關(guān)系曲線（沖蝕速度為3.6m·s－1，沖蝕角度為90°）Fig.6 Relationship curves between erosion time and weightlessness rate of Al0.5FeCoCrNi high－entropy alloy and 00Cr13Ni5Mo stainless steel（erosion rate of 3.6m·s－1 and erosion angle of 90°）

在30°的沖蝕角度下，Al0.5FeCoCrNi高熵合金和00Cr13Ni5Mo不銹鋼表面的沖蝕痕跡較為相似，材料流失方式均為微切削，如圖7（a～b）所示。這是因?yàn)榻?jīng)30°的小角度沖蝕后，水平分量導(dǎo)致的切削起主要作用。此外，Al0.5FeCoCrNi高熵合金的沖蝕表面上存在較多由石英砂切削引起的窄而深的犁溝，如圖7（a）中箭頭A所示，同時(shí)存在較多的擠壓唇；00Cr13Ni5Mo不銹鋼的沖蝕表面上也存在類似的犁溝和擠壓唇，如圖7（b）中的箭頭B所示。

在45°的沖蝕角度下，Al0.5FeCoCrNi高熵合金和00Cr13Ni5Mo不銹鋼表面上均不存在較深的犁溝，而且由石英砂切削引起的沖蝕痕跡都較為平緩，如圖7（c～d）所示，這可能是45°沖蝕角度下水平切削和垂直撞擊交互作用的結(jié)果。在此條件下，水平切削和垂直撞擊引起的材料流失相互促進(jìn)，大大加速了材料的沖蝕磨損，故這兩種材料的質(zhì)量損失率均最大。此外，在00Cr13Ni5Mo不銹鋼表面上可以觀察到少量孔洞和裂紋，分別如圖7（d）中箭頭C和D所示。

由圖8可見，在較高的沖蝕速度下，砂粒切削和撞擊材料表面的動(dòng)能大大增加，故沖蝕痕跡和擠壓唇同樣加深增大，材料的質(zhì)量損失率也急速增加。Al0.5FeCoCrNi高熵合金表面可看到大量的塑形變形，沖刷面大部分為較大的呈擠壓唇狀的凹坑，如圖中的箭頭E所示，同時(shí)可以觀察到細(xì)小的片狀細(xì)屑。不銹鋼的表面較為平整，凹坑較平且淺，只存在少量的擠壓變形，材料的流失伴隨著脆性剝落，如箭頭F所示。Al0.5FeCoCrNi高熵合金的硬度較低，容易被高速砂粒切削、擠壓成較深的犁溝，從而發(fā)生較大的塑形變形。00Cr13Ni5Mo不銹鋼的硬度較大，且馬氏體本身的韌性較差，不會(huì)發(fā)生類似于高熵合金的大量塑性變形，在砂粒的反復(fù)高速?zèng)_擊下易發(fā)生斷裂（表層疲勞開裂），不易形成深的沖蝕痕跡；同時(shí)開裂形成的裂紋在隨后高速砂粒的沖擊下，進(jìn)一步萌生和擴(kuò)展，以至于碎裂剝落。文獻(xiàn)［1，20－21］也認(rèn)為不銹鋼表現(xiàn)出了低韌性硬脆相的破壞形式——?jiǎng)兟渑c碎裂。

圖7 Al0.5FeCoCrNi高熵合金和00Cr13Ni5Mo不銹鋼在不同沖蝕角度下的表面沖蝕形貌（沖蝕速度為3.6m·s－1，沖蝕時(shí)間為4h）Fig.7 Surface erosion morphology of Al0.5FeCoCrNi high－entropy alloy and 00Cr13Ni5Mo stainless steel at different erosion angles（erosion rate of 3.6m·s－1 and erosion time of 4h）

圖8 Al0.5FeCoCrNi高熵合金與00Cr13Ni5Mo不銹鋼在沖蝕角度為90°、沖蝕速度為6.8m·s－1、沖蝕時(shí)間為4h下的表面沖蝕形貌Fig.8 Surface erosion morphology of Al0.5FeCoCrNi high－entropy alloy and 00Cr13Ni5Mo stainless steel under the conditions of erosion angle of 90°，erosion rate of 6.8m·s－1and erosion time of 4h

3 結(jié) 論

（1）鑄態(tài)Al0.5FeCoCrNi高熵合金的組織為典型的樹枝晶形貌，00Cr13Ni5Mo不銹鋼的為條狀馬氏體，后者的硬度較前者的高；熱處理能提高高熵合金的硬度和沖蝕磨損性能，且在800℃熱處理后的更好。

（2）當(dāng)沖蝕角度為45°時(shí)，高熵合金和不銹鋼的質(zhì)量損失率均達(dá)到最大，呈現(xiàn)出韌性材料的沖蝕磨損特性；隨著沖蝕速度和沖蝕時(shí)間增加，高熵合金和不銹鋼的質(zhì)量損失率均增大，且不銹鋼的質(zhì)量損失率大于高熵合金的。

（3）Al0.5FeCoCrNi高熵合金的沖蝕磨損機(jī)制以切削、犁削和塑性變形為主；00Cr13Ni5Mo不銹鋼的沖蝕磨損機(jī)制主要為切削和擠壓變形，且伴有碎裂與剝落。

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