에 의해 제조된 MoNbTaVW 내화성 고엔트로피 합금 코팅의 프레팅 마모 특성 및 프레팅 마모 메커니즘 레이저 클래딩 기술 다양한 하중(10N, 20N, 30N), 다양한 프레팅 마모 진폭(50μm, 150μm, 250μm) 및 다양한 사이클 시간(5, 000, 10)에서 연구되었습니다. 결과는 제조된 MoNbTaVW 내화성 고엔트로피 합금 코팅이 Fe000Ta15형 HCP 고용체상, FCC 고용상 및 (Fe, Ni) 매트릭스상으로 구성되어 있으며, FCC 상은 용융되지 않은 고엔트로피 합금 분말임을 보여줍니다. 직교 실험 범위 분석에 따르면 프레팅 마모 진폭은 마모량에 가장 큰 영향을 미치고 프레팅 마모 하중은 마모량에 두 번째로 큰 영향을 미치며 프레팅 마모 주기 수는 마모량에 가장 작은 영향을 미칩니다. 그중 MonbTaVW 내화성 고엔트로피 합금 코팅의 마모량은 000회, 7N 및 3μm의 프레팅 마모 조건에서 최대값에 도달합니다. 프레팅 마모 하중은 마찰 계수에 가장 큰 영향을 미치고, 프레팅 마모 진폭은 마찰 계수에 두 번째로 큰 영향을 미치며, 프레팅 마모 주기 수는 마찰 계수에 가장 작은 영향을 미칩니다. 그 중 MonbTaVW 내화성 고엔트로피 합금 코팅의 마찰계수는 15,000회, 20N, 250μm의 프레팅 마모 조건에서 최대값에 도달합니다. MonbTaVW 내화성 고엔트로피 합금 코팅의 프레팅 마모 메커니즘은 주로 산화 마모와 접착 마모이며 마모로 인해 생성된 마모 잔해는 주로 Ta 및 W 산화물입니다.

새롭고 대중적인 소재인 고엔트로피 합금은 고유한 설계 개념, 높은 엔트로피, 격자 왜곡, 느린 확산 및 칵테일 효과로 인해 높은 경도, 강한 내산화성, 뛰어난 기계적 특성, 우수한 내마모성과 내식성을 가지고 있습니다. 내화성 고엔트로피 합금은 주로 내화성 금속 원소(Nb, Ta, Mo, W, V 및 기타 원소와 같은 융점 1650℃ 이상)로 구성된 고엔트로피 합금을 기반으로 개발된 새로운 유형의 다주 합금입니다. ). 내화성 고엔트로피 합금은 강도, 비강도, 고온 성능 및 기계적 특성이 우수하며 응용 전망이 넓습니다. XNUMX원 WTaNbMo 및 XNUMX원 MoNbTaVW로 대표되는 내화성 고엔트로피 합금은 내화성 고엔트로피 합금 연구 분야의 핫스팟입니다.

높은 경도, 고강도, 우수한 마찰 저항성 및 내식성으로 인해 고엔트로피 합금 코팅은 곧 코팅 연구의 초점이 되었습니다. 고엔트로피 합금 코팅은 일반적으로 플라즈마 분사, 마그네트론 스퍼터링, 전기화학 증착, 레이저 클래딩 및 기타 수단을 통해 준비됩니다. 레이저 클래딩 기술은 다른 코팅 준비 기술에 비해 대부분의 금속 원소를 녹일 수 있으며 빠른 냉각 속도로 인해 준비된 코팅은 미세 구조, 치밀한 구조 및 낮은 희석률을 가지며 기판에 거의 영향을 미치지 않습니다. 코팅 재료의 우수한 성능을 보장할 수 있습니다. 동시에, 코팅과 기판은 금속학적으로 결합되어 결합 강도가 높으며 복잡한 작업 조건에서 떨어지기가 쉽지 않습니다. 그러므로, 레이저 클래딩 기술 점차적으로 고엔트로피 합금 코팅, 특히 내화성 고엔트로피 합금 코팅 제조를 위한 첫 번째 선택이 되었습니다.

현재 레이저 클래딩 내화성 고엔트로피 합금 코팅에 대한 연구는 주로 내식성, 경도, 내마모성, 미세 구조 및 기타 측면에 중점을 두고 있습니다. Zhaoet al. 레이저 클래딩을 통해 WT a N b Mo 내화성 고엔트로피 합금을 제조했으며, 자기장 보조로 제조된 고엔트로피 합금이 더 밀도가 높다고 믿었습니다. Guan et al. 레이저 클래딩을 통해 NbTiZr 및 NbTaTiZr 내화성 고엔트로피 합금 코팅을 준비했으며 두 코팅의 경도가 기판의 경도보다 높다는 것을 입증했습니다. Louet al. 고속 레이저 클래딩을 통해 Al0.2CrNbTiV 내화성 고엔트로피 합금 코팅을 준비했습니다. 연구에 따르면 코팅의 경도와 결정립계 경화 효과는 기판보다 높고 소성 변형에 저항하는 능력도 향상되었습니다. Huang et al. 레이저 클래딩으로 TiNbZrMo 내화성 고엔트로피 합금 코팅을 준비하고 경도, 내마모성 및 내식성을 연구했습니다. 결과는 코팅의 다양한 특성이 316L 기판의 특성보다 우수하다는 것을 보여주었습니다. 그러나 문헌 조사에 따르면 레이저 클래딩으로 제조된 고엔트로피 합금 코팅의 프레팅 마모 마찰 특성에 대한 연구는 상대적으로 적은 것으로 나타났습니다. 프레팅 마모는 특별한 마모 현상입니다. 접촉하는 두 물체의 상대적인 움직임으로 인해 미크론 수준의 마모 손상이 발생하는 경우 이러한 유형의 마모로 인한 부품 고장은 일반적으로 감지하고 평가하기 어렵고 이로 인한 피해는 매우 큽니다. 프레팅 마모에 영향을 미치는 요인은 주로 재료의 성능, 미세 구조 및 적용된 하중과 관련됩니다. 내화성 고엔트로피 합금 코팅은 탁월한 성능을 발휘합니다. 내화성 고엔트로피 합금 코팅의 프레팅 마모를 연구하는 것은 프레팅 마모로 인한 피해를 줄이는 데 광범위한 의미를 갖습니다. 직교 실험 설계를 기반으로 이 연구는 세 가지 요소(프레팅 마모 하중, 프레팅 마모 주기 수, 프레팅 마모 진폭)와 세 가지 수준(하중은 10N, 20N, 30N, 사이클 수는 5, 000, 10이고 프레팅 마모 진폭은 000μm, 15μm, 000μm입니다. 다양한 하중, 다양한 사이클 수에서 프레팅 마모 성능 및 마모 메커니즘을 연구합니다. 그리고 다른 진폭.

1 실험

1.1 내화성 고엔트로피 합금 코팅의 제조
기판 재질은 316L 스테인레스 스틸이며 기판 크기는 15mm×15mm×10mm입니다. 레이저 클래딩 전, 기판 표면의 산화물 스케일을 수동 연삭으로 제거한 후, 무수 에탄올 또는 아세톤 용액에 넣어 초음파 세척하여 표면의 먼지를 제거한 후 사용합니다. MonbTaVW 내화성 고엔트로피 합금 코팅은 TruDisk6006 레이저 클래딩 장비로 준비되었습니다. 레이저 클래딩 분말은 광동과학원 신재료 연구소에서 생산한 구형 MonbTaVW 내화성 고엔트로피 합금 분말이었습니다. 분말 직경은 50-100 μm(그림 1 참조)였으며 각 요소의 원자 분율은 표 1에 표시되어 있습니다. 레이저 클래딩 매개변수는 레이저 출력 3200W, 레이저 클래딩 속도 10mm/s, 레이저 스폿 직경이었습니다. 4mm, 디포커스 17mm, 중첩률 50%, 동기 분말 공급량 15.9g/min. 클래딩 공정 중 분말 공급 및 차폐 가스 공급원으로 헬륨을 사용했으며, 가스 유량은 2L/min으로 유지했습니다.

1. 2 내화성 고엔트로피 합금 코팅의 미세구조 특성 분석
MonbTaVW 고엔트로피 합금 코팅의 상 조성은 Rigaku Smartlab SE X선 회절계(Kα 타겟은 Cu 타겟임)로 특성화되었으며, 스캐닝 각도는 20-90°, 스캐닝 속도는 5(°)/ 분. 고엔트로피 합금 코팅 표면과 프레팅 마모 표면의 미세 형태와 원소 조성은 Apreo S Hivac 전계 방출 주사 전자 현미경을 사용하여 얻었습니다.

1. 3 내화물 고엔트로피의 프레팅 마모 실험 합금 코팅
프레팅 마모 실험은 가정용 프레팅 마모 시험기를 이용하여 수행하였으며, 그라인딩 볼로는 직경 3mm의 Si4N6 세라믹 볼을 선택하였다. 프레팅 마모 매개변수는 프레팅 마모 주기 수 5000, 10000, 15000, 프레팅 마모 하중 10N, 20N, 30N, 프레팅 마모 진폭 50μm, 150μm, 250μm로 설정되었습니다. 프레팅 마모 실험 후 Bruker Control GT-K 백색광 간섭계를 사용하여 마모 흉터 표면의 마모 형태를 얻었으며 마모량은 XNUMX차원 단면 프로파일과 마모 흉터 길이로 계산되었습니다.

다양한 프레팅 마모 사이클 수(인자 A), 다양한 프레팅 마모 하중(인자 B) 및 다양한 프레팅 마모 진폭(인자 C)이 내화성 고엔트로피 합금 코팅의 프레팅 마모 성능에 미치는 영향을 연구하기 위해 2가지 요소가 있습니다. 27단계 직교 실험을 개발하였고, 실험 인자 및 수준은 Table 9와 같다. 프레팅 마모 직교 실험에 따라 Table 3과 같이 실험 횟수를 XNUMX회에서 XNUMX회로 줄이도록 직교 테이블을 설계하였다.

2 결과 및 논의

2.1 MonbTaVW 내화성 고엔트로피 합금 코팅의 상 조성 구조
그림 2는 MonbTaVW 내화성 고엔트로피 합금 코팅 및 분말의 XRD 다이어그램을 보여줍니다. 고엔트로피 합금 분말의 XRD 다이어그램에서 FCC(면심 입방 결정 구조)의 단일상임을 알 수 있습니다. 내화성 고엔트로피 합금 코팅은 HCP 고용상(Fe12Ta0604의 참조 표준 XRD 카드 PDF 7-3), FCC 고용상(TaV39의 참조 표준 XRD 카드 PDF 1178-2) 및 (Fe, Ni) 매트릭스 상으로 구성됩니다. . 그림 3은 레이저 클래딩으로 제조된 MonbTaVW 내화성 고엔트로피 합금 코팅의 SEM 및 EDS 다이어그램을 보여줍니다. 표면 형태의 SEM 이미지에서 코팅은 밝은 흰색 원형 입자, 전형적인 응고된 수상돌기 및 회색 매트릭스로 구성되어 레이저 클래딩 고엔트로피 합금 코팅의 전형적인 고용체 구조를 보여줍니다. 밝은 흰색 둥근 입자는 EDS 이미지에서 원소 구성이 W, Ta, Mo, Nb 및 V임을 보여줍니다. XRD 이미지를 비교하면 밝은 흰색 부분이 레이저 클래딩 공정 중 완전히 녹지 않은 고엔트로피 합금 분말임을 판단할 수 있습니다. 동시에, EDS 이미지에 따르면, 코팅 내부에 많은 양의 Fe 원소가 분포되어 있음을 알 수 있습니다. 이는 고엔트로피 합금 코팅을 준비하기 위한 레이저 클래딩 공정 중 레이저 에너지 밀도가 너무 높아 매트릭스의 Fe 원소가 코팅에 유입되어 코팅 내부에 Fe가 풍부한 회색 매트릭스 상이 형성되기 때문입니다. 즉, 그림 2의 (Fe, Ni) 상; Fe 원소는 고엔트로피 합금의 W, Ta, Mo, Nb 및 V 원소와 결합하여 Fe7Ta3를 핵심으로 하는 HCP 상 결정 구조를 형성합니다. HCP 고용체 상, FCC 고용체 상 및 (Fe, Ni) 매트릭스 상은 각각 그림 3에서 화살표로 표시됩니다.

2.2 MonbTaVW 내화성 고엔트로피 합금 코팅의 마찰계수 및 마모량
진폭-접선력(FD) 곡선은 프레팅 마모를 특성화하는 중요한 매개변수이며, 프레팅 마모 중 내화성 고엔트로피 합금 코팅의 마모 상태를 직관적으로 반영할 수 있습니다. 그림 4에서 볼 수 있듯이 다양한 프레팅 마모 하중, 다양한 프레팅 마모 진폭 및 다양한 프레팅 마모 주기 시간에서 진폭-접선력 곡선의 모양은 평행사변형이며, 이는 다양한 실험 조건에서 프레팅 마모가 내화성 고엔트로피 합금 코팅의 표면은 완전 슬립(Gross Slip)입니다.

MonbTaVW 내화성 고엔트로피 합금 코팅의 프레팅 마모 마찰 계수 곡선은 그림 5에 나와 있습니다. 그림 5에서 볼 수 있듯이 다양한 프레팅 마모 조건에서 1000~1500 프레팅 마모 주기 전에 마찰 길들이기 기간입니다. , 마찰계수는 불안정하며 상승하는 경향을 보인다. 길들이기 기간 후 하중이 10N일 때 다양한 프레팅 마모 주기와 다양한 프레팅 마모 진폭을 갖는 고엔트로피 합금 코팅의 마찰 계수는 0.21±0.03입니다. 하중이 20N일 때 다양한 프레팅 마모 주기와 다양한 프레팅 마모 진폭을 갖는 고엔트로피 합금 코팅의 마찰 계수는 0.45±0.03입니다. 하중이 30N일 때 다양한 프레팅 마모 주기와 다양한 프레팅 마모 진폭을 갖는 고엔트로피 합금 코팅의 마찰 계수는 0.63±0.02입니다. 안정화 후의 마찰계수를 선정하고 Table 4와 같이 직교실험을 이용하여 범위해석을 수행한다. 이 중 T는 요인들의 실험결과의 합, t는 실험결과의 합의 평균이다. 범위 R은 t 값에서 큰 값의 감소 값입니다. R이 클수록 실험 결과에 대한 요인의 영향이 커집니다. 표 4에서 알 수 있듯이, 고엔트로피 합금 코팅의 마찰계수에 대한 프레팅 마모 하중의 영향이 가장 크고, 고엔트로피 합금 코팅의 마찰계수에 대한 프레팅 마모 주기 진폭의 영향이 두 번째이며, 코팅의 마찰계수에 대한 프레팅 마모 진폭은 가장 작으며 이는 마찰계수 곡선에서 얻은 결과와 일치합니다.

그림 6은 MonbTaVW 내화성 고엔트로피 합금 코팅 마모 표면의 6차원 형태입니다. 그림 50에서 볼 수 있듯이 프레팅 마모 진폭이 250μm일 때 세 코팅 표면의 마모 정도는 작습니다. 프레팅 마모 진폭이 5μm일 때 세 코팅 표면의 마모 정도가 큽니다. 표 6는 마모 표면의 XNUMX차원 형태를 기반으로 계산된 코팅 프레팅 마모의 마모량입니다. 획득된 고엔트로피 합금 코팅 표면의 마모량을 직교 실험 범위 분석을 실시하였고 그 결과를 표 XNUMX에 나타내었다. 이 중 T는 인자들의 실험 결과의 합, t는 합의 평균이다. 요인의 실험 결과 중 R 범위는 t 값에서 큰 값의 감소 값입니다. R이 클수록 실험 결과에 대한 요인의 영향이 커집니다. 범위 분석 결과에서 프레팅 마모 진폭은 내화성 고엔트로피 합금 코팅의 프레팅 마모량에 가장 작은 영향을 미치고, 프레팅 마모 하중은 프레팅 마모량에 두 번째로 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있습니다. 내화성 고엔트로피 합금 코팅 및 프레팅 마모 주기 수는 코팅의 프레팅 마모량에 가장 큰 영향을 미칩니다.

2.3 MonbTaVW 내화성 고엔트로피 합금 코팅의 프레팅 마모 메커니즘
그림 7은 MonbTaVW 내화성 고엔트로피 합금 코팅의 프레팅 마모 형태에 대한 SEM 이미지입니다. 그림 7에서 볼 수 있듯이 코팅의 프레팅 마모 표면은 흰색 원형 영역, 마모 표시의 어두운 회색 영역, 밝은 회색 영역의 세 영역으로 구분됩니다. 짙은 회색 영역은 마찰 영역에 플레이크 형태로 분포되어 있습니다. 그림 6과 비교하면 마모 표면의 8차원 형태에서 어두운 회색 영역이 밝은 녹색으로 나타나는 것을 볼 수 있습니다. 그림 6의 EDS 원소 분석을 통해 이 영역이 코팅 내 W, Ta 원소 및 O 원소의 조합으로 형성된 금속 산화물임을 알 수 있습니다. EDS, SEM 및 코팅의 7차원 형태를 종합하면 어두운 회색 영역이 프레팅 마모 중에 고엔트로피 합금 코팅 표면에 생성된 마모 잔해임을 확인할 수 있습니다. 이러한 마모 잔해는 프레팅 마모 과정에서 제때 배출되지 않고 표면에 압축되어 마찰층을 형성합니다. 마모 과정에서 이러한 마찰층은 먼저 파괴되므로 마찰층은 코팅을 추가 마모로부터 보호할 수 있으며 이는 그림 7에 작은 마모량으로 표시됩니다. 그림 XNUMX의 확대도에서 볼 수 있습니다. 균열은 마찰층에 분포되어 있습니다(그림 XNUMX의 화살표로 표시). 이는 마모 과정에서 마찰층이 지속적으로 파괴되어 코팅을 보호한다는 것을 증명합니다.

연회색 영역의 EDS 다이어그램(그림 8 참조)에 따르면 O 원소를 제외한 다른 원소는 연회색 영역에 고르게 분포되어 있어 연회색 영역이 코팅 표면임을 나타냅니다. SEM 다이어그램(그림 7 참조)에서 마모 흔적 내부의 밝은 회색 영역에는 마찰 방향을 따라 균열이 있고 어두운 회색 영역은 마찰 방향을 따라 분포되어 있습니다. 이는 마모 잔해에 의해 형성된 마찰층이 파괴되고 그 아래의 코팅이 노출되기 때문이다. 밝은 흰색 원형 영역은 레이저 클래딩으로 고엔트로피 합금 코팅을 제조할 때 용융되지 않은 고엔트로피 합금 분말이며 이는 그림 3에서 결론을 내릴 수 있습니다. 밝은 흰색 원형 영역과 밝은 회색 영역은 O 원소와 응집되지 않습니다. 이는 MonbTaVW 내화성 고엔트로피 합금 분말과 고엔트로피 합금 코팅이 우수한 내산화성을 가짐을 나타냅니다. 밝은 회색 영역과 어두운 회색 영역에서는 Fe 원소가 응집되지 않아 마모 잔해물에 Fe 원소가 포함되어 있지 않으며, 코팅 표면의 Fe 원소가 O 원소와 반응하지 않아 HCP가 레이저 클래딩 공정 중 Fe 원소가 희석되어 형성된 상은 내마모성이 더 좋습니다.

위의 실험 결과를 바탕으로 마모 초기 단계에서 MonbTaVW 내화성 고 엔트로피 합금 코팅 표면은 금속 산화물로 구성된 마모 조각을 지속적으로 생성하고 마모 조각은 방향을 따라 배출되는 것으로 간주됩니다. 프레팅 마모가 발생하지만 일부 마모 조각은 제때 배출되지 않고 지속적으로 압축되어 코팅 표면에 마찰층을 형성합니다. 이때 코팅 표면에 접착마모가 나타납니다. 그러나 초기에 형성되는 마찰층의 두께는 충분하지 않다. 마찰이 진행됨에 따라 마찰층은 계속해서 파손되는데, ​​이는 마찰계수 곡선에서 초기 길들이기 기간으로 표시됩니다. 마모가 진행됨에 따라 마찰층은 계속해서 형성되고 파손되지만 점점 더 많은 마모 조각이 계속 생성되고 압축된 마찰층이 점점 더 두꺼워지고 더 이상 파손되지 않으며 마찰 계수가 점차 안정에 가까워집니다. 따라서 다양한 프레팅 마모 하중, 다양한 프레팅 마모 주기 및 다양한 프레팅 마모 진폭에서 MonbTaVW 내화성 고엔트로피 합금 코팅의 프레팅 마모 메커니즘은 산화 마모와 접착 마모입니다.

3 결론

(1) 제조된 MonNbTaVW 내화성 고엔트로피 합금 코팅은 HCP 고용체상, FCC 고용상 및 (Fe, Ni) 매트릭스상으로 구성된다. 그 중 FCC 고용상은 부분적으로 용융되지 않은 MonNbTaVW 내화성 고엔트로피 합금 분말이고, HCP 고용상은 코팅 중에 코팅에 대량으로 들어가는 매트릭스의 Fe 원소에 의해 형성된 Fe7Ta3를 코어로 하는 HCP 상입니다. 레이저 클래딩 공정 및 고엔트로피 합금의 W, Ta, Mo, Nb 및 V 원소와 결합.

(2) 직교 실험 범위 분석에 따르면 프레팅 마모 하중은 MonbTaVW 내화성 고엔트로피 합금 코팅의 마찰 계수에 가장 큰 영향을 미치고 프레팅 마모 진폭이 뒤따르며 프레팅 마모 주기 수가 가장 작습니다. 프레팅 마모 진폭은 MonbTaVW 내화성 고엔트로피 합금 코팅의 마찰량에 가장 큰 영향을 미치고 프레팅 마모 하중이 뒤따르며 프레팅 마모 주기 수가 가장 작습니다.

(3) MonbTaVW 내화성 고엔트로피 합금 코팅의 프레팅 마모의 주요 마모 형태는 산화 마모와 접착 마모입니다. 프레팅 마모 중에 생성된 마모 잔해는 주로 Ta 및 W 원소의 산화물로 구성됩니다. 고엔트로피 합금의 다른 원소와 산소의 친화력은 높지 않으며, 이는 고엔트로피 합금 코팅이 내산화성이 우수함을 나타냅니다.