בעבודה זו, ציפוי מורכב של סגסוגת אנטרופיה גבוהה (HEA) CoCrFeNiSi-xTiB2 (x = 2. 5%, 5. 0%, 7. 5%, 10. 0%, חלק מסה) היה מצופה בלייזר על משטח 40Cr. הפאזה, המבנה המיקרו, הקשיות, החיכוך והבלאי ותכונות הקורוזיה האלקטרוכימיות של הציפוי נותחו, ונדונה ההשפעה של חלקיקים קרמיים ננו-TiB2 על ציפוי HEA. התוצאות מראות שכאשר x = 2. 5%, 5. 0%, 7. 5%, שלב הציפוי מורכב מ-FCC דו-פאזי ו-BCC; כאשר x = 10. 0%, בוריד CrB נוצר על בסיס שני השלבים, ומבנה המיקרו של הציפוי משתנה מגבישים שווי-צירים לדנדריטים עמודים טיפוסיים. קשיות המיקרו של הציפוי עולה עם עליית חלקיקי הננו-TiB2, וכאשר x = 10. כאשר תכולת TiB2 היא 0%, הקשיות הממוצעת של הציפוי מגיעה לגבוהה ביותר, שהיא HV547.11, שהיא בערך פי 2.72 מזו של המצע. הסיבות העיקריות לעלייה בקשיותו הן חיזוק תמיסה מוצקה וחיזוק פיזור. עם העלייה בתכולת TiB2, אובדן הבלאי של הציפוי המרוכב מופחת באופן משמעותי. כאשר x = 10.0%, משקל אובדן הבלאי הוא 0.13 מ"ג בלבד. באופן כללי, הגידול בתכולת TiB2 משנה את מנגנון הבלאי העיקרי של הציפוי המרוכב משחיקה שוחקת ובלאי חמצון חמור לבלאי שוחקים ובלאי חמצון קל, ועמידות הבלאי משתפרת באופן משמעותי. בתמיסת 3.5% NaCl, העמידות בפני קורוזיה של הציפוי המרוכב היא הטובה ביותר כאשר x = 7.5%. מילות מפתח: סגסוגת אנטרופיה גבוהה (HEA), חיפוי לייזר, ננו-קרמיקה, התנגדות ללבוש, עמידות בפני קורוזיה

פלדה מבנית מסגסוגת 40Cr היא אחת הפלדות הנפוצות ביותר לבחירת מכונות כריית פחם. יש לו תכונות מכניות מקיפות טובות, קשיחות השפעת טמפרטורה נמוכה, רגישות חריגה נמוכה ויחס יסודות סגסוגת סביר, כך שהוא נמצא בשימוש נרחב בתעשיית ייצור המכונות. עם זאת, בשל סביבת העבודה הקשה, 40Cr נלחץ וגזוז לעתים קרובות בעת חיתוך תפרי פחם, אשר נוטה לבלאי פני השטח, קורוזיה, עיוות שיניים ופגמים אחרים, המשפיעים קשות על חיי השירות. טכנולוגיית חיפוי בלייזר היא אחד האמצעים הנפוצים ביותר בתחום תיקון משטחים בשנים האחרונות. טכנולוגיה זו משתמשת בקרן לייזר בעלת אנרגיה גבוהה כדי להמיס ולמצק את אבקת הציפוי ואת פני המצע ליצירת קשר מתכות טוב. יחד עם זאת, לחיפוי לייזר יש גם יתרונות של קירור מהיר, התמצקות מהירה, אזור קטן מושפע חום ומבנה ציפוי צפוף. זה יכול לשפר את הקשיות, עמידות הבלאי ועמידות בפני קורוזיה של משטח הציפוי. היתרונות הייחודיים שלה וסיכויי היישום העצומים שלה גורמים לה לדאגה רחבה. שלא כמו סגסוגות מסורתיות, סגסוגות באנטרופיה גבוהה (HEA) הן סגסוגות המורכבות מחמישה אלמנטים או יותר ביחסים מולרים שווים או כמעט שווים. בתפיסת הסגסוגת המסורתית, כאשר מערבבים מספר אלמנטים עיקריים, נוצרות בקלות תרכובות בין-מתכתיות, וכתוצאה מכך ירידה משמעותית בביצועים המקיפים של החומר. HEAs שונים. יש להם "ארבע השפעות" ייחודיות שיכולות לעכב את היווצרותן של תרכובות בין-מתכתיות, מה שהופך אותן לבעלי חוזק גבוה, קשיות גבוהה, ביצועים מצוינים בטמפרטורה גבוהה ועמידות בפני שחיקה וקורוזיה. המבנה הפנימי שלהם מחולק בדרך כלל לשלבי פתרון מוצק FCC, BCC ו-HCP. HEAs משפרים את התכונות המכניות של סגסוגות באמצעות חיזוק תמיסות מוצקות וחיזוק שלב שני. מחקרים הראו שלטכנולוגיית חיפוי לייזר יש השפעה של זיקוק גרגרים. לכן, הכנת HEAs על ידי חיפוי לייזר היא הבחירה הטובה ביותר.

על מנת לשפר עוד יותר את הקשיות ועמידות הבלאי של ציפוי HEA, החוקרים מקדישים יותר ויותר תשומת לב להשפעות של חלקיקים קרמיים שונים (כגון TiC, NbC, B4C ו-TiB2) על הביצועים של HEAs. שאנג ואחרים. הכין ציפוי ננו-TiC מחוזק בחלקיקים (Cr-Fe4Co4Ni4)Cr3HEA על פני השטח של נירוסטה 904L. עם תוספת של TiC, קשיות, עמידות ללבוש ועמידות בפני קורוזיה של הציפוי המרוכב השתפרו בהדרגה. כאשר נוספו 15% (חלק נפח) TiC, המיקרו-קשיות של הציפוי המרוכב היה בערך פי שניים מזה של המצע. דונג וחב'. הכין ציפוי מרוכב Al-CrCoFeNi2.1-xTiB2HEAS על פני השטח של נירוסטה 304 על ידי חיפוי לייזר במהירות גבוהה במיוחד. התוצאות הראו כי תוספת של TiB2 שיפרה את הקשיות ועמידות הבלאי של הציפוי, וקצב הבלאי ירד עם עליית חלקיקי TiB2. Zhao et al. חלקיקי קרמיקה B4C ו-SiC מוכנים מחוזקים CoCrFeNiTi HEA ציפויים על ידי טכנולוגיית חיפוי לייזר. התוצאות הראו של-B4C היו הביצועים הטובים ביותר בביצועי סגסוגת. קשיות הציפוי עלתה מ-HV0.5666.2 ל-HV0.5886.9. במקביל, עמידות הבלאי בטמפרטורת החדר גדלה, ומקדם החיכוך וקצב הבלאי ירדו באופן משמעותי. בין חלקיקי הקרמיקה, חלקיקי TiB2 הם אחד מהשלבים הקשים הנפוצים. יש להם קשיות גבוהה, מקדם התפשטות תרמית נמוך, יציבות תרמית טובה ועמידות בפני שחיקה וקורוזיה מצוינת. מאפיינים אלה יכולים לשפר טוב יותר את התכונות המכניות של ציפוי HEA.

ישנם מעט מחקרים על ההשפעה של חלקיקי קרמיקה מתכת ננו-TiB2 על הביצועים של CoCrFeNiSi HEA. לכן, עבודה זו הכינה CoCrFeNiSi-xTiB2 (x = 2.5%, 5.0%, 7.5%, 10.0%, חלק מסה, אותו דבר להלן) ציפוי מרוכב HEA על פני השטח של פלדה 40Cr על ידי חיפוי לייזר, וניתחה את ההשפעה של ננו-TiB2 על תכונות המיקרו-שחיקה והחיכוך של חיפוי וחיכוך HEA מנקודת מבטו שלב.

1. ניסוי

המצע הוא פלדה 40Cr בגודל 150 מ"מ×60 מ"מ×8 מ"מ. חומרי החיפוי הם 40-70 מיקרומטר בטוהר גבוה Co, Cr, Fe, Ni, Si אבקות בודדות ואבקות 650-800 ננומטר TiB2. 2.5%, 5.0%, 7.5% ו-10.0% אבקות קרמיקה מתכת TiB2 מתווספות לאבקות CoCrFeNiSiHEA בהתאמה, והאבקות מעורבבות בטחנת כדורים פלנטרית KQM-ZB למשך 3 שעות. לייזר סיבי YLS-2000 משמש לביצוע חיפוי לייזר בצורה של אבקות הגדרה מראש. לפני החיפוי מערבבים באופן אחיד את האבקות המעורבות עם חומר הקושר פוליוויניל אלכוהול (2%) ומוגדרות מראש על המצע בעובי של 1.45 מ"מ. על פי המחקר הניסיוני המקדים של קבוצת המחקר, פרמטרי התהליך האופטימליים לחיפוי הם הספק לייזר של 900 W, קצב סריקה של 4 מ"מ·s-1, וקוטר ספוט של 2. 0 מ"מ, שיעור חפיפה 30%. כדי להבטיח את איכות שכבת החיפוי, נעשה שימוש בארגון כגז המגן בתהליך החיפוי.

לאחר תהליך החיפוי, הדגימה עברה עיבוד בחיתוך תיל עם אלקטרוספארק, וגודלה היה 8 מ"מ×8 מ"מ×8 מ"מ וגודל דגימת החפיפה 25 מ"מ×8 מ"מ×8 מ"מ ולאחר מכן ליטוש בנייר זכוכית. מבנה הפאזה של ציפוי הסגסוגת זוהה על ידי דיפרקטומטר D8-Advance רנטגן, חומר המטרה היה יעד נחושת, וטווח הסריקה היה 20-100°. Aqua regia (יחס נפח של חומצה הידרוכלורית מרוכזת לחומצה חנקתית מרוכזת 3:1) נבחרה כפתרון הקורוזיה, ומבנה המיקרו של המדגם נצפה על ידי מיקרוסקופ מטאלוגרפי הפוך 4XB ומיקרוסקופ אלקטרונים פליטת שדה SUPRA55VP. ספקטרומטר פיזור אנרגיה (EDS) שימש לניתוח התפלגות האלמנטים, וקשיות הציפוי נמדדה על ידי בודק מיקרו קשיות. העומס שהופעל היה 1 N, וזמן הטעינה היה 000 שניות. בחתך הרוחב של המדגם, הבדיקה נערכה מהחלק העליון של הציפוי לחלק העליון של המצע. כל דגימה נמדדה שלוש פעמים ונלקח הערך הממוצע. בדיקת הבלאי בוצעה באמצעות מכונת חיכוך ובלאי M-15. נבחר חיכוך הדדי הזזה יבש. נעשה שימוש בזוג השחזה Si5000N3. העומס הרגיל היה 4 N, התדר היה 20 הרץ, זמן הבלאי היה 2 דקות, והמרחק ההולך 30 מ"מ. מהירות ההחלקה ומרחק ההחלקה הכולל חושבו להיות 20 ס"מ לשנייה ו-4 מ', בהתאמה.

2 תוצאות ודיון

2.1 ניתוח שלבים

איור 1 מציג את ספקטרום ה-XRD של הציפוי המרוכב CoCrFeNiSi-xTiB2HEA. ספקטרום XRD מראים שהציפוי המרוכב HEA מורכב משלב BCC ושלב FCC. כאשר x = 2%, הציפוי המרוכב מייצר תרכובת בין-מתכתית CB על בסיס שני השלבים המקוריים. ייתכן שהסיבה לכך היא האנטלפיה השלילית של ערבוב של אלמנט B לא מתכתי ואלמנט Cr. עם העלייה של ננו-TiB2.5, התוכן של שלב FCC יורד בהדרגה ותכולת שלב BCC עולה בהדרגה. הסיבה היא שחלק מיסודות Ti ו-B המפורקים על ידי ננו-TiB5.0 בחיפוי לייזר מעודדים היווצרות של שלב BCC, מה שעולה בקנה אחד עם התוצאות של כמה מחקרים קודמים [7.5-10.0], המצביעים על כך שאלמנטים Ti ו-B שנוספו ל-HEA יכולים לשחק את התפקיד של מייצב BCC ומשפר פתרון מוצק. בנוסף, לא נצפתה שיא עקיפה של TiB2 בספקטרום של כל הציפויים המרוכבים, מה שמעיד על כך שחלקיקי הננו-TiB2 התפרקו לחלוטין או שמספרם היה מתחת לטווח הגילוי XRD. בהתבוננות בתמונה המקומית המוגדלת בפינה הימנית העליונה של איור 23, ניתן לראות בבירור כי שיא העקיפה (26) של שלב ה-BCC נע לזווית גדולה יותר, מה שמצביע על כך שקבוע הסריג של BCC יורד. ייתכן שהסיבה לכך היא פירוק של חלקיקי TiB2 במהלך חיפוי לייזר, מה שגורם לאטומי B עם רדיוס יסוד קטן יותר להתמוסס ולהחליף אלמנטים אחרים במבנה הפאזה של BCC. על פי חוק Bragg, השיא העיקרי של דיפרקציית BCC של ציפוי הסגסוגת עובר ימינה. המקור שימש כדי להתאים במהירות לספקטרום XRD, וגודל הגרגירים (D) של הציפוי המרוכב CoCrFeNiSi-xTiB2 HEA חושב על ידי נוסחה (1), כפי שמוצג בטבלה 110. גודל הגרגיר הממוצע (D*) של CoCrFeNiSi-xTiB2 (x = 2%, 1%, H ציפוי מרוכב הוא 1%, H. 2, 2.5, 5.0, 7.5 ננומטר, בהתאמה, מה שמצביע על כך שתוספת של חלקיקי ננו-TiB10.0 לציפויי CoCrFeNiSi HEA יכולה להפחית ביעילות את גודל הגרגרים הממוצע של הציפויים ולחדד את מבנה הגרגירים של הציפויים המרוכבים. הסיבה לכך היא שחלקיקי TiB15.89 הם חומר גרעיני הטרוגני נפוץ שיכול להגביר את קצב הגרעין ובכך לעדן את גרגרי הציפוי.
ראה נוסחה (1) באיור, שבה: k הוא קבוע (0.89), λ הוא אורך הגל של קרני הרנטגן (0.15405 ננומטר), β הוא רוחב חצי הגובה של שיא העקיפה (FWHM), ו-θ הוא זווית העקיפה.

2. 2 מיקרו-מבנה

המיקרו-מבנה של ציפוי מרוכב CoCrFeNiSi-xTiB2 HEA מוצג באיור 2. תכולת היסודות הכימיים התואמים של האזורים המסומנים באיור 2 רשומים בטבלה 2. מתמונות SEM, ניתן לראות שהמבנה של ציפוי מרוכב CoCrFeNiSi-xTiB2 HEA מציג שני אזורים שונים של בהיר (gDR) ו-Ray dendri (gdr) כהה: אזורים. אזורי DR ו-ID הם מבנים טיפוסיים של פתרון מוצק בציפויי HEA שהוכנו על ידי חיפוי לייזר. מניתוח ה-EDS של נקודות בדיקת הציפוי, ניתן לראות שאזור ה-DR כולל בעיקר יסודות Fe ו-Ni, בעוד שאזור ה-ID כולל בעיקר יסודות Fe, Cr ו-Ti. לכן, אזור ה-DR מתאים למבנה התמיסה המוצקה של FCC העשיר ב-Fe ו-Ni, ואזור ה-ID מתאים למבנה התמיסה המוצקה של BCC העשיר ב-Fe ו-Cr, מה שעולה בקנה אחד עם התוצאות של ניתוח ה-XRD הקודם. בשילוב נוסף עם איור 2 וטבלה 2, ניתן לראות שכאשר x = 2.5%, המיקרו-מבנה של הציפוי הוא מבנה גבישי אחיד שווה-צירים. כאשר x = 5.0%, מבנה המיקרו של הציפוי משתנה מגביש שווה-צירים למבנה דנדריט עמודי. כאשר x = 7.5%, 10.0%, מבנה המיקרו של הציפוי השתנה לחלוטין לדנדריט עמודי. איור 3 מציג את סריקת פני השטח של EDS והתפלגות האלמנטים של הציפוי המרוכב כאשר x = 5.0%, 10.0%. בשילוב עם הנתונים בטבלה 2, ניתן לראות שכאשר מוסיפים כמות קטנה של חלקיקי ננו-TiB2 (x = 2.5%), הציפוי המרוכב מראה הפרדת יסודות Si ברורה, ועם העלייה בתכולת TiB2, הפרדת יסודות Si נחלשת בהדרגה ולבסוף נוטה להיות אחידה. הסיבה לכך היא שהוספת TiB2 מקדמת את הפיזור מחדש של המומסים, ולאלמנט Ti יש נטייה חזקה להפרד לגבול התבואה. אי-הומוגניות מקומית זו גורמת לאלמנט ה-Ti להיפרד אל גבול התבואה באופן מועדף מאשר אלמנט ה-Si, מה שמעכב את ההפרדה של אלמנט ה-Si במידה מסוימת. בנוסף, כאשר x = 2.5%, 5.0%, אלמנט B מופץ באופן אחיד יחסית בציפוי המרוכב בגלל תכולתו הקטנה יחסית. עם הגדלת תכולת ה-TiB2, אלמנט B קיים בעיקר בצורה של הפרדה בגבול התבואה, מה שמקטין עוד יותר את גודל הגרגר.

2.3 מיקרו קשיות

עקומת ההתפלגות של קשיות המיקרו של הציפוי המרוכב לאורך כיוון העומק מוצגת באיור 4. עקומת הקשיות מחולקת לשלושה אזורים: אזור חיפוי, אזור מושפע חום ואזור מצע. כל אזור מופרד על ידי קו מנוקד אנכי באיור. קשיות המיקרו של האזור המושפע מחום גבוהה יחסית מכיוון לחיפוי לייזר יש מאפיינים של קירור מהיר והתמצקות מהירה. תהליך הקירור המהיר ממצב טמפרטורה גבוה שווה ערך לכיבוי, מה שיכול לשפר את הקשיות. המיקרו-קשיות הממוצעת של CoCrFeNiSi-xTiB2 (x = 2.5%, 5.0%, 7.5%, 10.0%) ציפוי HEA מרוכב ומצע 40Cr הוא HV342.98, HV404.13, HV460.51, HV547.11, HV201.23, HV1.7, HV2.0, HV2.0, בהתאמה. הקשיות של כל ציפוי מרוכב היא פי 2.5, פי XNUMX, פי XNUMX ופי XNUMX מזו של המצע, בהתאמה. 29 פעמים ו-2.72 פעמים. ניתן לראות בבירור מאיור 4 שעם הגדלת התוכן של חלקיקי ננו-TiB2, המיקרו-קשיות של הציפוי המרוכב עולה בהדרגה. כאשר x = 2.5%, 5.0%, קשיות המיקרו של הציפוי נמוכה יחסית. הסיבות עשויות לכלול: ① התוכן של TiB2 שנוסף קטן, ההסתברות שאטומי Ti יתמוססו בתמיסה המוצקה ויחליפו אטומים אחרים או אטומי B שייכנסו למקומות פנויים בין הסריג היא קטנה, עיוות הסריג קטן, והתחזקות הפתרון המוצק שנגרם אינו ברור; ② כאשר x = 2.5%, 5.0%, התוכן של שלב ה-FCC גדול יותר מזה של שלב ה-BCC, המשיכות של שלב ה-FCC גבוהה יותר, אך החוזק שלו נמוך מזה של שלב ה-BCC. כאשר x = 7.5%, 10.0%, קשיות המיקרו של הציפוי נמוכה יחסית. קשיות המיקרו של הציפוי נמוכה יחסית. כאשר x = 8.5%, 11.0%, 12.0%, 14.0%, 16.0%, 18.0%, 19.0%, 20.0%, 21.0%, 23.0%, 24.0%, 26.0%, 27.0%,%, 28.0%, 29.0%, 24.0% 26.0%, 27.0%, 28 … כאשר x = 0%, קשיות המיקרו של הציפוי המרוכב גבוהה יחסית. הסיבה לכך היא שעם העלייה בתכולת הננו-TiB2, שלב ה-FCC הופך למבנה שלב ה-BCC, ותכולת המבנה של שלב ה-BCC בציפוי המרוכב גבוה יחסית; עם העלייה של יסודות Ti ו-B, אטומי ה-Ti בעלי רדיוס גדול יותר מתמוססים לתוך התמיסה המוצקה ומחליפים אטומים אחרים ותופסים את מיקום הסריג, בעוד אטומי ה-B תופסים את המקומות הפנויים הבין-סטיים בסריג כאטומים בין-סטיציאליים. ההשפעה המשולבת של השניים מובילה לעיוות סריג חמור, אשר משפר את מידת חיזוק התמיסה המוצקה. כאשר x = 10.0%, התרכובת הבין מתכתית CrB נוצרת בציפוי המרוכב, וכתוצאה מכך חיזוק הפיזור של הציפוי. ההתמצקות המהירה במהלך חיפוי הלייזר עוזרת גם לשפר את המסיסות ולשפר את אפקט חיזוק התמיסה המוצקה. בנוסף, הכנסת אלמנט B שולטת בגודל הגרגירים של הציפוי, מעדן את הגרגירים, מגדילה את מספר גבולות הגרגירים, וגבולות הגרגירים ממלאים תפקיד במניעת תנועה של נקעים, כך שהציפוי מפגין מיקרו קשיות גבוהה. לפי משוואת הול-פצ' Hg = H0 + kd1/2, קשיות הציפוי היא ביחס הפוך לגודל הגרגירים.

2.4 תכונות חיכוך ובלאי

2.4.1 מקדם חיכוך וירידה במשקל בלאי

איור 5 מציג את עקומת מקדם החיכוך (COF) של ציפוי המרוכב CoCrFeNiSi-xTiB2 HEA, המציגה שני שלבים שונים: שלב ההרצה ושלב הבלאי היציב. בשלב ההרצה, צמד החיכוך Si3N4 כדור קרמי יוצר לראשונה קשר עם פני שכבת החיפוי. במהלך החיכוך והבלאי ייווצרו פסולת בלאי על פני שכבת החיפוי ויתרחש חיכוך מגע נקודתי, וכתוצאה מכך מקדם חיכוך לא יציב ומוגבר משמעותית. עם עליית זמן הבלאי, שטח מגע החיכוך גדל בהדרגה והופך לחיכוך מגע פני השטח, מה שגורם למערכת החיכוך להיות יציבה ולהיכנס לשלב הבלאי היציב. בשלב זה, ה-COF של הציפוי המרוכב CoCrFeNiSi-xTiB2HEA הוא בין 0.67 ל-0.72, מה שמצביע על כך שלתוכן של חלקיקי ננו-TiB2 יש השפעה מועטה על ה-COF של הציפוי המרוכב בשלב הבלאי היציב. תופעות דומות נמצאו בדיווחים קודמים. איור 6א מציג את מקדם החיכוך הממוצע בין המצע לציפוי המרוכב. ניתן למצוא ש-COF של הציפוי המרוכב נמוך מזה של מצע 40Cr. איור 6b מציג את משקל אובדן הבלאי של המצע והציפוי המרוכב. ניתן לראות שהציפוי המרוכב בתוספת חלקיקי ננו-TiB2 משפר מאוד את תכונות החיכוך והבלאי של המצע. כאשר x = 10.0%, משקל אובדן הבלאי של הציפוי המרוכב מופחת ב-88% בהשוואה למצע.

2.4.2 נפח בלאי ובלאי

על מנת להמשיך ולחקור את עמידות הבלאי של המצע והציפוי המרוכב, בוצע ניתוח הפרופיל התלת מימדי של סימני הבלאי של הדגימות, וחולצו מפת הפרופיל התלת-ממדית ועקומת פרופיל הבלאי של המצע והציפוי, כפי שמוצג באיור 3. בהשוואה למצע, רוחב הבלאי והעומק של תכולת הציפוי ירדו לדרגות שונות של הציפוי nano7. שטחי החתך של צלקות הבלאי של מצע ה-2Cr ושל ה-CoCrFeNiSi-xTiB40 (x = 2%, 2.5%, 5.0%, 7.5%) ציפויים היו 10.0 5, 696.85 1, 250.10 1, 233.45 1, 122.02, 770.74 2, 2, 2% . 8 מיקרומטר, בהתאמה, המצביע על כך ששטח החתך של צלקות הבלאי בציפויים ירד בהדרגה עם העלייה בתכולת TiB40, ונפח הבלאי המקביל המשיך לרדת. באמצעות נוסחה (2) כדי לחשב את קצב הבלאי של הציפוי, איור 2.5 מציג את נפח הבלאי ושיעור הבלאי של מצע ה-5.0Cr והציפוי CoCrFeNiSi-xTiB7.5 (x = 10.0%, 0.056%, 97%, 0.012%). נפחי הבלאי שלהם הם 50 0.012, 33 0.011, 22 0.007, 71 3 ו-39.561 5 מ"מ, בהתאמה, ושיעורי הבלאי הם 10 6×8.681-3, 10 6×8.565 6×10-6. 7.791 8×10-6 ו-5.352 4×10-6 mm3·N-1·m-1, בהתאמה. המגמה של ביצועי החיכוך והבלאי של הציפוי תואמת את מגמת הקשיות המיקרו, מה שמעיד על כך שקשיות גבוהה מלווה בדרך כלל בעמידות מעולה בפני שחיקה. כאשר x = 10.0%, לציפוי יש את עומק הבלאי, נפח הבלאי ושיעור הבלאי הקטן ביותר, מה שמצביע על כך שלציפוי יש את ההתנגדות הטובה ביותר לבלאי כאשר x = 10.0%.
ראה נוסחה (2) באיור, שבה: W הוא קצב הבלאי, Vloss הוא נפח הבלאי, FN הוא העומס ו-H הוא מרחק ההחלקה הכולל.

2.4.3 מורפולוגיה של פני הבלאי

מורפולוגיה של פני הבלאי של המדגם מוצגת באיור 9, אשר מראה עוד יותר את תהליך הבלאי הפוטנציאלי הקשור למצע ולציפוי המרוכב. איור 9a הוא מורפולוגיה של צלקת הבלאי של מצע 40Cr. דפורמציה פלסטית ברורה מוצגת על פני המצע. ניתן להבחין במספר רב של בורות קילוף ושכבות הדבקה לאורך כיוון ההחלקה. פסולת הבלאי שנוצרת נדבקת למשטח הבלאי. במקביל, עם פעולת כוח ההעמסה, נוצרת שכבת הדבקה על משטח צלקת הבלאי. בשל המיקרו-קשיות הנמוכה של המצע, בעת החלקה ביחס לזוג החיכוך, כוח הטעינה גורם לעיוות פלסטי גזירה על פני הדגימה לאורך כיוון ההחלקה. העיוות הפלסטי גורם להופעת סדקים מיקרו מתחת לצלקת הבלאי של המצע. המיקרו-סדקים מתרחבים ונשברים, וכתוצאה מכך מתקלפים בורות ודלמינציה על פני המצע. יחד עם זאת, ישנם מספר קטן של תלמים על פני התשתית, המעידים כי התשתית עוברת בלאי דבק המלווה בכמות קטנה של בלאי שוחק.

איור 9b-e מציג את מורפולוגיה של צלקת הבלאי של ציפויים מרוכבים עם תוכן ננו-TiB2 שונה. ניתן לראות שצלקת הבלאי מחולקת לשני חלקים: האזור האפור הכהה והאזור האפור הבהיר. איור 10 מציג את ניתוח ספקטרום האנרגיה של מדגם CoCrFeNiSi-10.0%TiB2 (עמדת התחלה בצד שמאל של צלקת הבלאי). ניתן למצוא שמגמת ההתפלגות של יסודות Si ו-O באזור האפור הכהה עקבית, וניתן לראות שהאזור האפור הכהה הוא תחמוצת הנוצרת משילוב של יסודות Si ו-O. כאשר זוג החיכוך חוזר, פסולת בלאי תחמוצת נוצרת ברציפות על פני הציפוי המרוכב. פסולת בלאי זו נפלטת לאורך כיוון החיכוך ההולך, אך חלק מהפסולת לא ניתנת להפרשה מלאה והן נדחסות באופן רציף בתלמים או בשני הצדדים של סימני הבלאי, ויוצרות שכבת תחמוצת על פני הציפוי המרוכב. כפי שמוצג באיור 9b ו-c, כאשר x = 2.5% ו- 5.0%, תלמים רחבים ומספר רב של שכבות תחמוצת מופיעים על פני הציפוי, מלווים במספר קטן של בורות מתפרקים, וניתן למצוא דרגות שונות של דפורמציה פלסטית, מה שמעיד על כך שמנגנון הבלאי הוא שחיקה שוחקת ובלאי מלווה בשיחוק. כאשר x = 7. כאשר x = 5%, ניתן למצוא באיור 9f שלמשטח הציפוי יש תלמים בעומקים משתנים, שזו תופעה אופיינית של בלאי שוחקים. גם מספר שכבות התחמוצת באזור האפור כהה ירד משמעותית, מה שמעיד על כך שדרגת שחיקת החמצון נחלשה. יחד עם זאת, נצפה גם כי עקב התנועה ההדדית של צמד החיכוך, נוצרת כמות גדולה של חום חיכוך לריתוך המשטח, והמיקרו-חיבור שנוצר נקרע ליצירת הדבקה מתקלפת וקילוף בורות, מה שמעיד על כך שגם לציפוי יש בלאי דבק. ראוי לציין שבמהלך תהליך החיכוך והבלאי, צמד החיכוך סוחט חלק משכבת ​​התחמוצת, מה שגורם לשכבת התחמוצת להישבר ולייצר כמות גדולה של פסולת בלאי. בשל המיקרו-קשיות הגבוהה של הציפוי, כמות גדולה של פסולת בלאי גורמת לשינוי התנועה היחסית של משטח הבלאי מחיכוך החלקה לחיכוך גלגול, ובכך מפחית את מקדם החיכוך של הציפוי במידה מסוימת. ניתן לראות באיור 9e שכאשר x = 10.0%, מספר שכבות התחמוצת ממשיך לרדת, משטח הציפוי חלק יותר, ומופיעים תלמים רדודים וצרים, מלווים בכמות קטנה של בורות מתקלפים, מה שמעיד על כך שלציפוי יש בלאי שוחק קל ובלאי חמצון על ידי שחיקה קטנה של התחמצנות. מהתצוגה המוגדלת בצד ימין של איור 9e, ניתן לראות שפסולת הבלאי הנשלפת ממשטח הבלאי קטנה בגודלה ומספרה קטנה, כך שהתנועה היחסית של משטח הבלאי הופכת לחיכוך החלקה, מה שמגדיל את מקדם החיכוך של הציפוי, מה שעולה בקנה אחד עם מגמת מקדם החיכוך הממוצע של הציפוי 6a באיור. לסיכום, עם העלייה בתכולת הננו-TiB2, מנגנון הבלאי העיקרי של הציפוי המרוכב משתנה מבלאי שחיקה ובלאי חמצון חמור לבלאי שחיקה ובלאי חמצון קל, דבר המצביע על כך שהוספת ננו-TiB2 משפרת משמעותית את עמידות הבלאי של הציפוי המרוכב.

2.5 קורוזיה אלקטרוכימית

2.5.1 עקומת קיטוב פוטנציאל דינמי

איור 11 מציג את עקומות הקיטוב הפוטנציאלי הדינמי של מטריצת 40Cr ו-CoCrFeNiSi-xTiB2 (x = 2.5%, 5.0%, 7.5%, 10.0%) ציפוי מרוכב HEA בתמיסת 3.5% NaCl. המצע והציפוי המרוכב מציגים מצבים דומים באזור הקתודה, מה שמצביע על כך שלשינוי בתכולת חלקיקי הקרמיקה ננו-TiB2 אין השפעה על החלק הקתודי של עקומת הקיטוב. פלטפורמת פסיבציה טיפוסית מופיעה באזור האנודה. השיפוע של עקומת אזור הפסיבציה קשור למידת ההגנה של סרט הפסיבציה. כאשר x = 7.5%, השיפוע של עקומת אזור הפסיבציה של הציפוי הוא הגדול ביותר, והפסיבציה המשנית מתרחשת בו-זמנית, מה שמעיד על כך שהציפוי מייצר סרט פסיבציה צפוף יותר במהלך תהליך הקורוזיה, המשפר את עמידות הקורוזיה של סרט הפסיבציה.

פוטנציאל הקורוזיה העצמית (Ecorr) וצפיפות זרם הקורוזיה (Icorr) של ה-CoCrFeNiSi-xTiB2 (x = 2.5%, 5.0%, 7.5%, 10.0%) ציפוי HEA מרוכב הושגו על ידי שימוש בשיטת אקסטרפולציה של עקומת הקיטוב של Tafeel, כפי שמוצג בטבלה התרמודינמית של קורוזיה 3. מגמה ואפשרות של החומר, בעוד שהפרמטר הקינטי Icorr יכול לאפיין את קצב הקורוזיה של החומר [46-47]. כאשר x = 7.5%, ה-Icorr (1.252×10-4 A/cm2) של הציפוי המרוכב נמוך מזה של ציפויים אחרים, וה-Ecorr (-0.816 V) הוא הגדול ביותר, גבוה מהמצע וציפויים אחרים, מה שמצביע על כך שלציפוי CoCrFeNiSi-7.5% TiB2 יש את עמידות הקורוזיה הטובה ביותר. על ידי השוואת ה-Icorr וה-Ecorr של ציפויים אחרים, ניתן למצוא שעמידות הקורוזיה של ציפוי CoCrFeNiSi-10.0%TiB2 טובה יותר מזו של CoCrFeNiSi-2.5%TiB2 ו-CoCrFeNiSi-5.0%TiB2. בין השניים האחרונים, ערך ה-Ecorr של ציפוי CoCrFeNiSi-2.5%TiB2 גדול מזה של CoCrFeNiSi-5.0%TiB2, בעוד ערכי ה-Icorrr שלהם הם באותו סדר גודל, כך שעמידות הקורוזיה של ציפוי CoCrFeNiSi-2.5% TiB2 טובה במעט. ראוי לציין שעמידותם בפני קורוזיה של כל ציפויי CoCrFeNiSi-xTiB2 טובה יותר מזו של 40Cr, מה שמעיד על כך שציפויים של CoCrFeNiSi-xTiB2 שיפרו את היכולת לעמוד בפני חדירת Cl ובעלי עמידות טובה בפני קורוזיה. העמידות בפני קורוזיה של המצע וכל ציפוי מדורגת כ-CoCrFeNiSi-7.5%TiB2 > CoCrFeNiSi-10.0%. 0%TiB2>CoCrFeNiSi-2. 5%TiB2>CoCrFeNiSi-5. 0%TiB2>40Cr.

2.5.2 ניתוח עכבה אלקטרוכימית

ספקטרוסקופיה עכבה אלקטרוכימית (EIS) היא כלי יעיל לחקר ביצועי קורוזיה ומנגנון קורוזיה. הוא משקף את מאפייני ההרכב המבני של ממשק האלקטרודה על ידי השוואת המידע הקינטי ועקומת הקיטוב שלו. איורים 12a ו-12b הם דיאגרמות Nyquist ו-Board של המצע והציפוי המרוכב CoCrFeNiSi-xTiB2 HEAs. כפי שניתן לראות מאיור 12a, עקומת ה-Nyquist של המדגם היא חצי עיגול, מה שנובע מהעברת המטען על פני השטח ההטרוגניים. מחקרים הראו שככל שקוטר חצי המעגל גדול יותר, כך עמידות בפני קורוזיה טובה יותר. קוטרי חצי המעגל של דיאגרמת Nyquist הם x = 7.5%, x = 10.0%, x = 2.5%, x = 5. 0%, 40Cr, מה שמצביע על כך שהכמות המתאימה של חלקיקי TiB2 יכולה לשפר ביעילות את העמידות בפני קורוזיה של הציפוי בתמיסת NaCl של 3.5%. בתרשים Bode, מודול העכבה Z יכול להצביע על מידת פלישת Cl-. ככל שערך Z גדול יותר, מידת פלישת ה-Cl קטנה יותר. באזור התדר האמצעי (1-103 הרץ) של איור 12, הלוגריתם של מודול העכבה והתדר מראים קשר ליניארי עם שיפוע קטן מ-1. בתדר קבוע של 0.1 הרץ, הערך של Z שווה בערך לערך התנגדות הקיטוב (RP). ככל שה-RP גדול יותר, כך קשה יותר להחליד את המדגם [51]. כפי שמוצג באיור 12b, ב-f = 10-2 הרץ, ערך Z של הציפוי עם x = 7.5% הוא הגדול ביותר, מה שמצביע על כך שעמידות הקורוזיה של הסרט הפסיבי על פני הציפוי היא הגבוהה ביותר כאשר x = 7.5%. באזור התדר הגבוה של 104-105 הרץ, זווית הפאזה קרובה לאפס, מה שמעיד על כך שהתנגדות הפתרון נמוכה. בטווח התדרים הבינוני, זווית הפאזה של כל הציפויים אינה מגיעה ל-90°, מה שמעיד על כך שלציפוי יש תכונה "סתגלנית למחצה", מה שמעיד על כך שסרט הפסיבציה על משטח הציפוי הופך בהדרגה לשכבת קיבול טהורה עם ביצועי בידוד טובים, אשר יש לו אפקט מגן טוב על הציפוי. על מנת להעריך את תהליך הקורוזיה של הציפוי, ספקטרום EIS מנותח באמצעות מעגל שווה ערך. כפי שמוצג באיור 12c, Rs היא התנגדות התמיסה, Rf היא התנגדות סרט הקורוזיה, Rct היא התנגדות העברת המטען של האלקטרודה, ואלמנט פאזה קבוע (CPE) משמש כדי לפצות על חוסר האחידות של המערכת (חספוס פני השטח ופגמי פני השטח), שהם CPE1 ו-CPE2 בהתאמה. ניתן לראות בבירור מטבלה 4 שכאשר x = 7.5%, Rct ו-Rf הם הגדולים ביותר, מה שגם מראה שלציפוי עם x = 7.5% יש את העמידות הטובה ביותר בפני קורוזיה. לסיכום, למצע ולכל ציפוי עמידות טובה בפני קורוזיה של 3.5%. עמידות בפני קורוזיה בתמיסת 5% NaCl מדורגת כ-CoCrFeNiSi-7.5% TiB2 > CoCrFeNiSi-10.0% TiB2 > CoCrFeNiSi-2.5% TiB2 > CoCrFeNiSi-5.0% TiB2 > 40Cr העומדת בקנה אחד עם התוצאות הפוטנציאליות של הקוטב.

2.5.3 מורפולוגיה של משטח קורוזיה

איור 13 מציג את מורפולוגיה של קורוזיה אלקטרוכימית של מצע 40Cr וציפוי מרוכב. ניתן לראות בבירור כי פני השטח של 40Cr מחוספסים, דרגת הקורוזיה היא החמורה ביותר, ומופיעים בורות בורות. הסיבה לכך היא שיש יותר אלמנטים Cr על פני השטח של 40Cr, סרט הפסיבציה הנוצר אינו אחיד, Cl- נוגע בחלק החלש של סרט הפסיבציה ויוצר כלורידים מסיסים דרך פני הסרט, וכתוצאה מכך הופעת בורות בורות. x = 2.5%, 5.0%. כאשר x = 0.0% ו-10.0%, פני השטח של הציפוי המרוכב חלקים יותר מזה של מצע ה-40Cr, וכמות קטנה של בורות קורוזיה בדרגות שונות מופיעה על שני המשטחים. כאשר x = 7.5%, משטח הציפוי חלק ולא מופיעים בורות קורוזיה, מה שמעיד על כך שלציפוי CoCrFeNiSi-7.5%TiB2 יש עמידות טובה בפני קורוזיה. ראוי לציין שכאשר תכולת ה-TiB2 עולה ל-10.0%, ההתנגדות לקורוזיה של הציפוי פוחתת במקום זאת. הסיבה לכך היא שהתוספת המוגזמת של TiB2 מובילה ליותר אלמנטים B בציפוי. מניתוח XRD באיור 1, ניתן לראות שהתרכובת הבין מתכתית CrB נוצרת בציפוי עם x = 10.0%, מה שמגביר את חוסר האחידות של סרט הפסיבציה ומפחית את עמידות הקורוזיה של סרט הפסיבציה בתמיסת NaCl; התרכובת הבין-מתכתית CrB תיצור מיקרו-סוללה בציפוי, ותגרום לקורוזיה גלוונית. לכן, העמידות בפני קורוזיה של הציפוי עם x = 10.0% טובה יותר מזו של הציפוי עם x = 7.5%. 5% ציפוי מופחת.

מסקנות 3

(1) הוספת חלקיקי ננו-TiB2 לציפוי CoCrFeNiSi HEA יכולה להפחית ביעילות את גודל הגרגיר הממוצע של הציפוי ולחדד את מבנה הגרגירים של הציפוי המרוכב. הרכב הפאזה של ציפוי CoCrFeNiSi-xTiB2 HEA הוא שלב FCC, שלב BCC ו-CrB בוריד. אטומי Ti ו-B מתמוססים בתמיסה המוצקה, והפעולה המשולבת של השניים מובילה לעיוות סריג חמור. מהמיקרו-מבנה ניתן לראות שעם העלייה בתכולת TiB2, מבנה הציפוי עובר מגבישים שווי-צירים לדנדריטים עמודים. במקביל, הוספה של TiB2 מעכבת את ההפרדה של יסודות Si בגבולות התבואה.

(2) קשיות המיקרו של הציפוי נמצאת בקורלציה חיובית עם תכולת TiB2. כאשר x = 10. 0%, המיקרו-קשיות הממוצעת של הציפוי מגיעה לערך המרבי של HV547. 11, שזה בערך 2. 72 פעמים. השיפור במיקרו קשיות הוא תוצאה של ההשפעה המשולבת של חיזוק תמיסה מוצקה, חיזוק פיזור וחיזוק גרגירים עדינים. עמידות הבלאי של הציפוי עולה עם עליית תכולת TiB2. כאשר x = 10.0%, משקל אובדן הבלאי הוא הקטן ביותר, ומגיע ל-0.13 מ"ג, שהם 88% פחות מזה של המצע. גם קצב הבלאי של הציפוי יורד עם העלייה של TiB2. העלייה של TiB2 משנה את מנגנון הבלאי העיקרי של הציפוי משחיקה שוחקת ובלאי חמצון חמורים לבלאי שוחקים קל ובלאי חמצון.

(3) על פי עקומת הקיטוב ותוצאות התאמת EIS, העלייה בתכולת חלקיקי TiB2 יכולה לשפר ביעילות את עמידות הציפוי בפני קורוזיה. השיפור בעמידות הציפוי בפני קורוזיה נובע בעיקר מהפסיבציה המשנית של הציפוי במהלך תהליך הקורוזיה, אשר מייצרת סרט פסיבציה צפוף יותר ומשפרת את יכולת העמידות בפני פלישת Cl-. ביניהם, ציפוי CoCrFeNiSi-7.5% TiB2 בעל עמידות בפני קורוזיה הטובה ביותר.