Per esplorare l'effetto delle particelle WC sulla microstruttura e sulle proprietà di rivestimenti di rivestimento, FeCoCrNiMn-xWC alta entropia rivestimenti di rivestimento in lega sono stati preparati sulla superficie dell'acciaio NM450 utilizzando una potenza laser di 1 200 W e una velocità di scansione di 6 mm/s. La fase, la microstruttura, le proprietà meccaniche e la resistenza all'usura dei rivestimenti sono state studiate tramite diffrattometro a raggi X (XRD), microscopio elettronico a scansione (SEM), microdurometro Vickers e tester di attrito e usura. I risultati mostrano che quando le particelle di WC vengono aggiunte al rivestimento in lega ad alta entropia FeCoCrNiMn, la microstruttura del rivestimento composito in lega ad alta entropia è principalmente costituita da fasi FCC e BCC, contenenti una piccola quantità di fasi WC, W2C e Cr7C3, e la microstruttura è una struttura cristallina colonnare e cellulare. Il rivestimento composito con il 10% di WC ha le migliori prestazioni complessive, con la microdurezza che raggiunge un valore massimo di 484.5 HV0.3; il coefficiente di attrito è 0.58 e la perdita per usura e il tasso di usura sono i più bassi, rispettivamente 0.011 4 g e 0.857×10-5 g/(N·m). La modalità di usura del rivestimento composito è principalmente usura abrasiva e usura ossidativa, accompagnata da usura adesiva.

Le leghe ad alta entropia sono diventate il fulcro della ricerca di nuovi materiali grazie ai loro vantaggi di elevata resistenza, elevata durezza, resistenza all'usura, resistenza alla corrosione e resistenza alle alte temperature. Una caratteristica notevole delle leghe ad alta entropia è la diversità dei loro elementi. A differenza delle leghe tradizionali, che di solito hanno solo uno o due elementi metallici principali, le leghe ad alta entropia hanno un gran numero di elementi costitutivi e la proporzione atomica di ciascun elemento è elevata, di solito 5%~35%. Sebbene le leghe ad alta entropia contengano più elementi metallici, possono formare una semplice fase di soluzione solida e avere prestazioni migliori rispetto alle leghe tradizionali. Le leghe ad alta entropia hanno molte proprietà eccellenti, come elevata resistenza, elevata durezza, buona resistenza all'usura, resistenza alle alte temperature ed eccellente resistenza alla corrosione e all'ossidazione. Queste caratteristiche fanno sì che le leghe ad alta entropia abbiano ampie prospettive di applicazione nei settori aerospaziale, automobilistico, petrolchimico, dell'energia elettrica, della biomedicina e altri campi. Con il laser cladding, vengono preparati rivestimenti in lega ad alta entropia che sono ben legati al substrato, e i vantaggi di entrambi vengono combinati per promuovere l'ulteriore applicazione di leghe ad alta entropia nella produzione industriale. Ad esempio, nel campo aerospaziale, le leghe ad alta entropia possono essere utilizzate per produrre componenti ad alta temperatura e componenti resistenti alla corrosione; nel campo della petrolchimica, possono essere utilizzate per produrre tubi e attrezzature resistenti alla corrosione; nel campo dei macchinari per l'estrazione del carbone, possono essere utilizzate per produrre parti con rivestimenti resistenti all'usura ad alta resistenza.

La tecnologia di rivestimento laser può ottenere un rapido riscaldamento e fusione locale, riducendo lo spreco di materie prime e semplificando il flusso del processo; la tecnologia di rivestimento laser ha le caratteristiche di un rapido raffreddamento, rendendo la struttura granulare del rivestimento preparato fine e uniformemente distribuita, il che aiuta a migliorare la densità e le prestazioni del rivestimento, come durezza, resistenza all'usura, resistenza alla corrosione, ecc.; durante il processo di rivestimento laser, si forma un legame metallurgico tra il rivestimento e il substrato, che migliora significativamente la forza di legame tra il rivestimento e il substrato, aiuta a prolungare la durata del rivestimento e a ridurre il fenomeno di distacco e screpolatura del rivestimento; la tecnologia di rivestimento laser può riparare e modificare la superficie delle parti guaste, il che aiuta a ridurre lo spreco di risorse e l'inquinamento ambientale e a raggiungere uno sviluppo sostenibile.

Negli ultimi anni, il rafforzamento del rivestimento composito di leghe ad alta entropia mediante l'aggiunta di particelle dure è diventato un argomento di ricerca molto attuale. Le particelle dure comuni includono WC, TiC e SiC. Tra queste, WC ha i vantaggi di elevata durezza, buona stabilità termica e buona bagnabilità con i metalli. Le particelle WC possono migliorare efficacemente la resistenza, la durezza e la resistenza all'usura dei rivestimenti compositi di leghe ad alta entropia. In questo articolo, la tecnologia di rivestimento laser viene utilizzata per studiare la lega ad alta entropia FeCoCrNiMn. Viene studiata l'influenza dell'aggiunta di diversi contenuti di WC sulla composizione di fase, microstruttura, microdurezza e resistenza all'usura del rivestimento in lega ad alta entropia. Regolando la quantità di WC aggiunta, viene preparato un rivestimento composito in lega ad alta entropia FeCoCrNiMn-xWC con buone prestazioni, che viene applicato alla preparazione del rivestimento resistente all'usura sulla superficie della vasca centrale del trasportatore raschiatore della miniera di carbone.

1 Materiali e metodi sperimentali
(1) Substrato di prova Il substrato di prova era in acciaio NM450. Per garantire che la superficie del campione fosse priva di impurità, la superficie del campione è stata prima lucidata con carta vetrata, quindi pulita a ultrasuoni e infine asciugata prima del test.
(2) Materiale in polvere Il test ha selezionato la polvere di lega ad alta entropia FeCoCrNiMn come materiale del substrato di rivestimento. La composizione chimica è mostrata nella Tabella 1. La dimensione delle particelle di polvere è 45~105 μm. Le ceramiche WC sono state selezionate come particelle di fase di rinforzo. Nel test di rivestimento, è stato utilizzato un alimentatore di polvere a doppio canale per regolare la quantità di aggiunta di ceramiche WC in tempo reale per garantire il regolare svolgimento del test. Le leghe FeCoCrNiMn-xWC con frazioni di massa WC dello 0, 5%, 10%, 15% e 20% sono state progettate in base alle polveri selezionate. La composizione è mostrata nella Tabella 2.
(3) Preparazione del rivestimento Il rivestimento laser i parametri di processo utilizzati nell'esperimento sono: potenza laser di 1 200 W, defocus di 15 mm, velocità di scansione di 6 mm/s, protezione da argon al 99.99% durante il processo di rivestimento e portata di argon di 15 L/min. L'esperimento è progettato per avere 5 gruppi di campioni e i 5 gruppi di campioni vengono testati separatamente. Lo spessore del rivestimento di ciascun gruppo di campioni è di 1 mm.
(4) Caratterizzazione del rivestimento Dopo il completamento del rivestimento, il campione di prova viene tagliato perpendicolarmente alla direzione del rivestimento mediante taglio a filo. Dopo il taglio, la superficie del campione viene leggermente lucidata per rimuovere le macchie di olio lasciate durante il taglio e le impurità della superficie del campione vengono pulite a ultrasuoni in una macchina a ultrasuoni per rendere il campione completamente pulito ed eliminare l'interferenza con i test successivi. La morfologia macroscopica del rivestimento è stata osservata utilizzando un microscopio stereoscopico RY-7045. Il campione è stato corroso con acqua regia (il rapporto molare tra HCl e HNO3 era 3:1) per 10-20 s. La microstruttura del rivestimento è stata osservata utilizzando un microscopio elettronico a scansione (SEM) JSM-5610LM. La fase di rivestimento è stata analizzata utilizzando un diffrattometro a raggi X (XRD) D/max2500. L'angolo di scansione era 20°-100°, il passo di scansione era 0.05° e la velocità di scansione era 4°/min. La durezza del campione è stata testata utilizzando un durometro Vickers microscopico visivo PCHVT-1000Z. Il carico di carico era di 300 g e il tempo di mantenimento di 10 s.

Le caratteristiche di attrito e usura del rivestimento sono state misurate utilizzando un tester di attrito e usura GHT-1000EM. I campioni di attrito e usura sono stati levigati in anticipo e lucidati fino a quando non c'erano graffi evidenti. Il materiale della coppia di attrito era acciaio GCr15 temprato e rinvenuto. Il carico è stato fissato a 300 g, il tempo di prova è stato di 1 800 s, la velocità del motore è stata di 450 giri/min, il diametro di attrito è stato di φ6 mm e la frequenza del motore è stata di 17.8 Hz. Dopo la prova, la morfologia tridimensionale dei segni di usura sulla superficie del campione è stata osservata utilizzando uno stereomicroscopio.
Il rivestimento è caratterizzato dal rapporto tra la quantità di usura e il lavoro svolto dal carico, ω = M/FS (1)
Dove M è la quantità di usura, g; F è il carico di prova, N; S è la distanza di attrito totale, S = 169 646 mm.

2 Risultati sperimentali e analisi
(1) Macromorfologia del rivestimento di rivestimento
La macromorfologia della superficie del rivestimento di rivestimento è mostrata nella Figura 1. La morfologia della superficie del rivestimento di rivestimento è ben formata e la superficie è piana. Non si riscontrano difetti come crepe e buchi. Con l'aumento del contenuto di WC, si verificano attaccamenti e agglomerazioni della polvere sulla superficie. L'analisi mostra che con l'aumento del contenuto di WC, la fluidità della polvere diminuisce e la temperatura del rivestimento superficiale diminuisce. Un'altra parte è causata dagli schizzi della pozza fusa.
(2) Analisi di fase del rivestimento di rivestimento
Lo spettro XRD del rivestimento di rivestimento è mostrato nella Figura 2. Come mostrato nella Figura 2, il rivestimento composito FeCoCrNiMn-xWC è composto principalmente da fase FCC e struttura di fase BCC. Si può vedere chiaramente che con l'aumento dell'aggiunta di WC, il picco di diffrazione della fase FCC aumenta e il picco di diffrazione della fase BCC diminuisce. Quando l'aggiunta di WC raggiunge il 10% di WC, il picco di diffrazione della fase BCC scompare quasi completamente. Le particelle di WC possono precipitare dalla matrice di rivestimento come precipitati. Queste particelle di WC precipitate formeranno fasi di rafforzamento aggiuntive nel rivestimento, migliorando la durezza e la resistenza all'usura del rivestimento. Il rafforzamento per precipitazione cambierà la composizione e la distribuzione della struttura della fase di rivestimento, influenzando così le prestazioni complessive del rivestimento. L'aumento di WC cambierà la microstruttura e la composizione di fase della zona interessata dal calore, perché l'elevato punto di fusione e la stabilità termica di WC influenzeranno la formazione e l'evoluzione della zona interessata dal calore. Questa modifica nella zona interessata dal calore influenzerà ulteriormente la formazione e le prestazioni della struttura della fase di rivestimento. In secondo luogo, le particelle di WC si dissolveranno nel reticolo della matrice di rivestimento per formare una soluzione solida, migliorando così la durezza e la resistenza della matrice.
(3) Analisi della microstruttura del rivestimento di rivestimento
La microstruttura del rivestimento di rivestimento è mostrata nella Figura 3. Come mostrato nella Figura 3 (a), quando non vengono aggiunte particelle di WC, il rivestimento è costituito principalmente da cristalli equiassici, le lunghezze dei cristalli in tutte le direzioni sono pressoché uguali e la spaziatura tra i cristalli è ridotta; come mostrato nelle Figure 3 (b) e 3 (c), quando vengono aggiunti il ​​5% di WC e il 10% di WC, una piccola quantità di particelle di WC non fuse inizia ad apparire nei cristalli del rivestimento composito. Quando i cristalli equiassici diventano più fini, si trasformano in dendriti colonnari e i grani della microstruttura diventano più fini. Dopo aver aggiunto il 10% di WC, il rivestimento composito viene notevolmente raffinato; come mostrato nelle Figure 3 (d) e 3 (e), quando vengono aggiunti il ​​15% di WC e il 20% di WC, i cristalli colonnari del rivestimento composito diminuiscono e la microstruttura è costituita principalmente da cristalli cellulari. Ciò dimostra che l'aumento del numero di particelle di WC favorisce il perfezionamento della struttura della lega e che l'interazione tra le particelle di WC e la matrice favorirà anche il rafforzamento della grana fine.
(4) Analisi della durezza del rivestimento di rivestimento La microdurezza trasversale del rivestimento di rivestimento è mostrata nella Figura 4. La durezza del rivestimento composito FeCoCrNiMn-xWC è stata notevolmente migliorata dopo l'aggiunta di particelle di WC. Quando non vengono aggiunte particelle di WC, la microdurezza media del rivestimento è 393.8 HV0.3; quando il contenuto di WC è 5%, 10%, 15% e 20%, la microdurezza media del rivestimento composito è 431.9 HV0.3, 484.5 HV0.3, 450.6 HV0.3 e 430.1 HV0.3. Questo perché l'elevata durezza del WC stesso può migliorare efficacemente la durezza del rivestimento composito in lega ad alta entropia. In secondo luogo, durante il rivestimento, alcune particelle di WC genereranno elementi C a causa delle cricche ad alta temperatura, e i carburi (Fe3C, Cr7C3, W2C) generati dagli elementi C e da Fe, Cr, W e altri elementi favoriscono anche il miglioramento della microdurezza del rivestimento.
(5) Analisi tribologica del rivestimento di rivestimento La curva coefficiente di attrito-tempo è mostrata nella Figura 5. Quando il WC non viene aggiunto al rivestimento di rivestimento, il coefficiente di attrito medio del rivestimento composito è 0.69; quando le particelle di WC vengono aggiunte con una frazione di massa del 5%, il coefficiente di attrito del rivestimento composito è 0.72; quando le particelle di WC vengono aggiunte con una frazione di massa del 10%, il coefficiente di attrito medio del rivestimento composito è il più piccolo, che è 0.58; quando le particelle di WC vengono aggiunte con una frazione di massa del 15%, il coefficiente di attrito medio del rivestimento composito è 0.86; quando le particelle di WC vengono aggiunte con una frazione di massa del 20%, il coefficiente di attrito medio del rivestimento composito è 0.59.

Quando si aggiunge WC al rivestimento, può aumentare significativamente la durezza del rivestimento. Quando sottoposto a usura esterna, il rivestimento ad alta durezza può resistere più efficacemente al taglio e ai graffi delle particelle di usura, migliorando così la resistenza all'usura. L'aggiunta di WC può anche affinare la granulometria del rivestimento, migliorandone così la resistenza e la durezza. I grani raffinati possono aumentare la resistenza allo scorrimento per dislocazione e migliorare la resistenza all'usura del rivestimento. Con l'aumento del contenuto di WC, il coefficiente di attrito tende ad aumentare. Questo perché troppe particelle di WC possono indebolire la forza di legame tra il rivestimento e il substrato. Quando sottoposto a usura esterna, è più probabile che il rivestimento si stacchi dal substrato, riducendo così la resistenza all'usura.
Il tasso di usura di ogni strato di rivestimento viene calcolato secondo la formula (1) e vengono disegnati il ​​grafico a barre della quantità di usura e del tasso di usura dei rivestimenti compositi FeCoCrNiMn-xWC con diversi contenuti di WC, come mostrato nella Figura 6. Il tasso di usura del rivestimento di rivestimento FeCoCrNiMn senza particelle di WC è 1.308×10-5 g/(N·m), il tasso di usura del rivestimento composito al 5% di WC è 1.278×10-5 g/(N·m), il tasso di usura del rivestimento composito al 10% di WC è 0.857×10-5 g/(N·m), il tasso di usura del rivestimento composito al 15% di WC è 0.917×10-5 g/(N·m) e il tasso di usura del rivestimento composito al 20% di WC è 0.910×10-5 g/(N·m). Tra questi, la quantità e il tasso di usura del rivestimento composito al 10% WC sono i più bassi e la resistenza all'usura è la migliore.
La micromorfologia della cicatrice da usura del rivestimento dopo il test di attrito e usura è mostrata nella Figura 7. La Figura 7 (a) mostra che senza aggiungere WC, la morfologia della cicatrice da usura del rivestimento composito mostra una forte adesione, il materiale adesivo superficiale è ovvio e principalmente aderenza e la principale modalità di usura è l'usura adesiva; La Figura 7 (b) mostra la morfologia della cicatrice da usura del rivestimento composito al 5% di WC. L'aggiunta di tracce di WC ha un evidente effetto di riduzione dell'usura sul rivestimento composito, riducendo la desquamazione del rivestimento e sono evidenti aratura e ossidi metallici nell'area di usura; La Figura 7 (c) mostra la morfologia dell'usura del rivestimento composito al 10% di WC, in cui l'aratura è ridotta e la desquamazione è aumentata; La Figura 7 (d) mostra la morfologia dell'usura del rivestimento composito al 15% di WC, in cui sono visibili la desquamazione e l'aratura da attrito e l'ossido metallico sulla superficie del rivestimento composito aumenta; La figura 7 (e) mostra la morfologia delle cicatrici da usura del rivestimento composito WC al 20%. Quando vengono aggiunte più particelle WC, il fenomeno di delaminazione e distacco nell'area di usura del rivestimento si riduce significativamente e anche il volume delle fossette si riduce. Il Cr può formare carburi come Cr7C3 e Fe3C con elementi come Fe e C e formare Cr2O3 con lubrificazione solida con O. Il WC formerà una soluzione solida W2C dopo la decomposizione, il che migliora la resistenza all'usura dello strato di rivestimento. In sintesi, combinata con l'analisi della teoria tribologica, la forma di usura del rivestimento composito è principalmente usura abrasiva e usura ossidativa, accompagnata da usura adesiva.

Applicazione 3
I risultati di questo documento sono stati utilizzati nella produzione del rivestimento superficiale della scanalatura centrale del trasportatore raschiatore tipo SGZ800/1710 per il trasporto in miniera di carbone di Xi'an Heavy Equipment Pubai Coal Mine Machinery Co., Ltd., e lo spessore del rivestimento ha raggiunto i 3 mm. Dopo un test industriale di 240 giorni nella miniera di carbone, lo spessore di usura della scanalatura centrale era di 3~5 mm, mentre lo spessore di usura della piastra resistente all'usura NM450 era di 5~10 mm e la sua resistenza all'usura è stata notevolmente migliorata.

Conclusione 4
(1) L'aggiunta di particelle WC ha modificato significativamente la microstruttura del rivestimento. La microstruttura del rivestimento di rivestimento FeCoCrNiMn-xWC è composta principalmente da cristalli equiassici e dendriti colonnari. Con l'aumento del contenuto di WC, aumentano anche le particelle WC e le fasi BCC e la microstruttura del rivestimento viene notevolmente raffinata. La microstruttura è principalmente fase FCC e fase BCC e contiene una piccola quantità di fase WC, W2C e Cr7C3.
(2) La quantità di particelle di WC aggiunte ha un effetto significativo sulle proprietà meccaniche del rivestimento. Con l'aumento del contenuto di WC, la microdurezza dello strato di rivestimento aumenta in modo significativo. La microdurezza media del rivestimento di rivestimento al 10% di WC è la più alta, con il valore massimo di 484.5 HV0.3.
(3) La perdita di usura e il tasso di usura del rivestimento di rivestimento WC al 10% sono i più bassi, che sono rispettivamente 0.011 4 g e 0.857×10-5 g/(N·m). La resistenza all'usura è la migliore. Le modalità di usura sono principalmente usura abrasiva e usura ossidativa, accompagnate da usura adesiva.