Để khám phá tác động của các hạt WC lên cấu trúc vi mô và tính chất của lớp phủ ốp, FeCoCrNiMn-xWC entropy cao lớp phủ hợp kim được chế tạo trên bề mặt thép NM450 bằng công suất laser 1 200 W và tốc độ quét 6 mm/giây. Pha, cấu trúc vi mô, tính chất cơ học và khả năng chống mài mòn của lớp phủ được nghiên cứu bằng máy nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử quét (SEM), máy kiểm tra độ cứng vi mô Vickers và máy kiểm tra ma sát và mài mòn. Kết quả cho thấy khi thêm các hạt WC vào lớp phủ hợp kim entropy cao FeCoCrNiMn, cấu trúc vi mô của lớp phủ composite hợp kim entropy cao chủ yếu là pha FCC và BCC, chứa một lượng nhỏ pha WC, W2C và Cr7C3, và cấu trúc vi mô là tinh thể dạng cột và cấu trúc tinh thể dạng ô. Lớp phủ composite có 10% WC có hiệu suất toàn diện tốt nhất, với độ cứng vi mô đạt giá trị tối đa là 484.5 HV0.3; hệ số ma sát là 0.58, tổn thất mài mòn và tỷ lệ mài mòn thấp nhất lần lượt là 0.011 4 g và 0.857×10-5 g/(N·m). Chế độ mài mòn của lớp phủ composite chủ yếu là mài mòn do mài mòn và mài mòn do oxy hóa, kèm theo mài mòn do bám dính.

Hợp kim entropy cao đã trở thành trọng tâm nghiên cứu của các vật liệu mới do những ưu điểm về độ bền cao, độ cứng cao, khả năng chống mài mòn, chống ăn mòn và khả năng chịu nhiệt độ cao. Một đặc điểm đáng chú ý của hợp kim entropy cao là sự đa dạng của các nguyên tố của chúng. Không giống như các hợp kim truyền thống, thường chỉ có một hoặc hai nguyên tố kim loại chính, hợp kim entropy cao có số lượng lớn các nguyên tố cấu thành và tỷ lệ nguyên tử của mỗi nguyên tố ở mức cao, thường là 5% ~ 35%. Mặc dù hợp kim entropy cao chứa nhiều nguyên tố kim loại, chúng có thể tạo thành pha dung dịch rắn đơn giản và có hiệu suất tốt hơn so với hợp kim truyền thống. Hợp kim entropy cao có nhiều đặc tính tuyệt vời, chẳng hạn như độ bền cao, độ cứng cao, khả năng chống mài mòn tốt, khả năng chịu nhiệt độ cao và khả năng chống ăn mòn và oxy hóa tuyệt vời. Những đặc điểm này làm cho hợp kim entropy cao có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong hàng không vũ trụ, ô tô, hóa dầu, điện, y sinh và các lĩnh vực khác. Bằng phương pháp phủ laser, lớp phủ hợp kim entropy cao liên kết tốt với chất nền được chuẩn bị và những ưu điểm của cả hai được kết hợp để thúc đẩy ứng dụng tiếp theo của hợp kim entropy cao trong sản xuất công nghiệp. Ví dụ, trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, hợp kim entropy cao có thể được sử dụng để sản xuất các thành phần chịu nhiệt độ cao và các thành phần chống ăn mòn; trong lĩnh vực hóa dầu, chúng có thể được sử dụng để sản xuất ống và thiết bị chống ăn mòn; trong lĩnh vực máy móc khai thác than, chúng có thể được sử dụng để sản xuất các bộ phận có lớp phủ chống mài mòn cường độ cao.

Công nghệ ốp laser có thể đạt được quá trình gia nhiệt và nóng chảy cục bộ nhanh chóng, giảm lãng phí nguyên liệu thô và đơn giản hóa quy trình; công nghệ ốp laser có đặc điểm là làm mát nhanh, làm cho cấu trúc hạt phủ đã chuẩn bị mịn và phân bố đều, giúp cải thiện mật độ và hiệu suất của lớp phủ, chẳng hạn như độ cứng, khả năng chống mài mòn, chống ăn mòn, v.v.; trong quá trình ốp laser, liên kết kim loại được hình thành giữa lớp phủ và chất nền, giúp cải thiện đáng kể cường độ liên kết giữa lớp phủ và chất nền, giúp kéo dài tuổi thọ của lớp phủ và giảm hiện tượng bong tróc và nứt lớp phủ; công nghệ ốp laser có thể sửa chữa và sửa đổi bề mặt của các bộ phận bị hỏng, giúp giảm lãng phí tài nguyên và ô nhiễm môi trường và đạt được sự phát triển bền vững.

Trong những năm gần đây, việc tăng cường lớp phủ composite của hợp kim entropy cao bằng cách thêm các hạt cứng đã trở thành một chủ đề nghiên cứu nóng. Các hạt cứng phổ biến bao gồm WC, TiC và SiC. Trong số đó, WC có ưu điểm là độ cứng cao, độ ổn định nhiệt tốt và khả năng thấm ướt kim loại tốt. Các hạt WC có thể tăng cường hiệu quả độ bền, độ cứng và khả năng chống mài mòn của lớp phủ composite hợp kim entropy cao. Trong bài báo này, công nghệ phủ laser được sử dụng để nghiên cứu hợp kim entropy cao FeCoCrNiMn. Ảnh hưởng của việc thêm các hàm lượng WC khác nhau đến thành phần pha, cấu trúc vi mô, độ cứng vi mô và khả năng chống mài mòn của lớp phủ hợp kim entropy cao được nghiên cứu. Bằng cách điều chỉnh lượng WC được thêm vào, một lớp phủ composite hợp kim entropy cao FeCoCrNiMn-xWC có hiệu suất tốt đã được chuẩn bị và nó được áp dụng để chuẩn bị lớp phủ chống mài mòn trên bề mặt máng giữa của băng tải cào mỏ than.

1 Vật liệu và phương pháp thí nghiệm
(1) Vật liệu nền thử nghiệm Vật liệu nền thử nghiệm là thép NM450. Để đảm bảo bề mặt mẫu không có tạp chất, bề mặt mẫu trước tiên được đánh bóng bằng giấy nhám, sau đó được làm sạch bằng siêu âm và cuối cùng được sấy khô trước khi thử nghiệm.
(2) Vật liệu bột Thử nghiệm đã chọn bột hợp kim entropy cao FeCoCrNiMn làm vật liệu nền ốp. Thành phần hóa học được thể hiện trong Bảng 1. Kích thước hạt bột là 45~105 μm. Gốm WC được chọn làm hạt pha gia cường. Trong thử nghiệm ốp, một bộ nạp bột kênh đôi được sử dụng để điều chỉnh lượng gốm WC bổ sung theo thời gian thực để đảm bảo tiến trình thử nghiệm diễn ra suôn sẻ. Hợp kim FeCoCrNiMn-xWC với các phần khối lượng WC là 0, 5%, 10%, 15% và 20% được thiết kế theo các loại bột đã chọn. Thành phần được thể hiện trong Bảng 2.
(3) Chuẩn bị lớp phủ ốp laze Các thông số quy trình được sử dụng trong thí nghiệm là: công suất laser 1 W, độ lệch tiêu cự 200 mm, tốc độ quét 15 mm/giây, bảo vệ argon 6% trong quá trình phủ và lưu lượng argon 99.99 L/phút. Thí nghiệm được thiết kế để có 15 nhóm mẫu và 5 nhóm mẫu được thử nghiệm riêng biệt. Độ dày lớp phủ của mỗi nhóm mẫu là 5 mm.
(4) Đặc tính lớp phủ Sau khi hoàn thành lớp phủ, mẫu thử được cắt vuông góc với hướng lớp phủ bằng cách cắt dây. Sau khi cắt, bề mặt mẫu được đánh bóng nhẹ để loại bỏ vết dầu còn sót lại trong quá trình cắt và các tạp chất trên bề mặt mẫu được làm sạch siêu âm trong máy siêu âm để làm sạch hoàn toàn mẫu và loại bỏ nhiễu với các thử nghiệm tiếp theo. Hình thái vĩ mô của lớp phủ được quan sát bằng kính hiển vi nổi RY-7045. Mẫu được ăn mòn bằng nước cường toan (tỷ lệ mol HCl so với HNO3 là 3:1) trong 10-20 giây. Cấu trúc vi mô của lớp phủ được quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) JSM-5610LM. Pha lớp phủ được phân tích bằng máy nhiễu xạ tia X (XRD) D/max2500. Góc quét là 20°-100°, bước quét là 0.05° và tốc độ quét là 4°/phút. Độ cứng của mẫu được kiểm tra bằng máy kiểm tra độ cứng Vickers vi mô PCHVT-1000Z. Tải trọng là 300 g và thời gian giữ là 10 giây.

Đặc tính ma sát và mài mòn của lớp phủ được đo bằng máy kiểm tra ma sát và mài mòn GHT-1000EM. Các mẫu ma sát và mài mòn được mài phẳng trước và đánh bóng cho đến khi không còn vết xước rõ ràng. Vật liệu cặp ma sát được tôi và ram thép GCr15. Tải được cố định ở mức 300 g, thời gian thử nghiệm là 1 800 giây, tốc độ động cơ là 450 vòng/phút, đường kính ma sát là φ6 mm và tần số động cơ là 17.8 Hz. Sau khi thử nghiệm, hình thái ba chiều của các vết mài mòn trên bề mặt mẫu được quan sát bằng kính hiển vi nổi.
Lớp phủ được đặc trưng bởi tỷ lệ giữa lượng hao mòn và công do tải trọng thực hiện, ω = M/FS (1)
Trong đó M là lượng hao mòn, g; F là tải trọng thử nghiệm, N; S là tổng khoảng cách ma sát, S = 169 646 mm.

2 Kết quả thực nghiệm và phân tích
(1) Hình thái vĩ mô của lớp phủ ốp
Hình thái vĩ mô của bề mặt lớp phủ ốp được thể hiện trong Hình 1. Hình thái bề mặt của lớp phủ ốp được định hình tốt và bề mặt phẳng. Không tìm thấy khuyết tật như vết nứt và lỗ. Khi hàm lượng WC tăng, bột bám và kết tụ trên bề mặt. Phân tích cho thấy khi hàm lượng WC tăng, độ lưu động của bột giảm và nhiệt độ lớp phủ bề mặt giảm. Một phần khác là do sự bắn tung tóe của vũng nước nóng chảy.
(2) Phân tích pha của lớp phủ ốp
Phổ XRD của lớp phủ ốp được thể hiện trong Hình 2. Như thể hiện trong Hình 2, lớp phủ composite FeCoCrNiMn-xWC chủ yếu bao gồm cấu trúc pha FCC và pha BCC. Có thể thấy rõ ràng rằng khi tăng lượng WC bổ sung, đỉnh nhiễu xạ của pha FCC tăng và đỉnh nhiễu xạ của pha BCC giảm. Khi lượng WC bổ sung đạt 10% WC, đỉnh nhiễu xạ của pha BCC gần như biến mất hoàn toàn. Các hạt WC có thể kết tủa từ ma trận lớp phủ dưới dạng kết tủa. Các hạt WC kết tủa này sẽ tạo thành các pha gia cường bổ sung trong lớp phủ, cải thiện độ cứng và khả năng chống mài mòn của lớp phủ. Sự gia cường kết tủa sẽ thay đổi thành phần và sự phân bố của cấu trúc pha lớp phủ, do đó ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể của lớp phủ. Việc tăng WC sẽ thay đổi cấu trúc vi mô và thành phần pha của vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt, vì điểm nóng chảy cao và độ ổn định nhiệt của WC sẽ ảnh hưởng đến sự hình thành và tiến hóa của vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt. Sự thay đổi này trong vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt sẽ ảnh hưởng thêm đến sự hình thành và hiệu suất của cấu trúc pha lớp phủ. Thứ hai, các hạt WC sẽ hòa tan trong mạng lưới của chất phủ để tạo thành dung dịch rắn, do đó cải thiện độ cứng và độ bền của chất phủ.
(3) Phân tích cấu trúc vi mô của lớp phủ ốp
Cấu trúc vi mô của lớp phủ ốp được thể hiện trong Hình 3. Như thể hiện trong Hình 3 (a), khi không thêm các hạt WC, lớp phủ chủ yếu là các tinh thể đẳng trục, chiều dài của các tinh thể theo mọi hướng gần như bằng nhau và khoảng cách giữa các tinh thể nhỏ; như thể hiện trong Hình 3 (b) và 3 (c), khi thêm 5% WC và 10% WC, một lượng nhỏ các hạt WC chưa nóng chảy bắt đầu xuất hiện trong các tinh thể lớp phủ composite. Khi các tinh thể đẳng trục trở nên mịn hơn, chúng chuyển thành các nhánh cây hình cột và các hạt cấu trúc vi mô trở nên mịn hơn. Sau khi thêm 10% WC, lớp phủ composite được tinh chỉnh đáng kể; như thể hiện trong Hình 3 (d) và 3 (e), khi thêm 15% WC và 20% WC, các tinh thể hình cột của lớp phủ composite giảm và cấu trúc vi mô chủ yếu là các tinh thể dạng ô. Điều này cho thấy việc tăng số lượng hạt WC có lợi cho việc tinh chỉnh cấu trúc hợp kim và sự tương tác giữa các hạt WC và ma trận cũng sẽ thúc đẩy quá trình gia cường hạt mịn.
(4) Phân tích độ cứng của lớp phủ ốp Độ cứng vi mô mặt cắt ngang của lớp phủ ốp được thể hiện trong Hình 4. Độ cứng của lớp phủ composite FeCoCrNiMn-xWC đã được cải thiện đáng kể sau khi thêm các hạt WC. Khi không thêm các hạt WC, độ cứng vi mô trung bình của lớp phủ là 393.8 HV0.3; khi hàm lượng WC là 5%, 10%, 15% và 20%, độ cứng vi mô trung bình của lớp phủ composite là 431.9 HV0.3, 484.5 HV0.3, 450.6 HV0.3 và 430.1 HV0.3. Điều này là do độ cứng cao của bản thân WC có thể cải thiện hiệu quả độ cứng của lớp phủ composite hợp kim entropy cao. Thứ hai, trong quá trình ốp, một số hạt WC sẽ tạo ra các nguyên tố C do nứt ở nhiệt độ cao và các cacbua (Fe3C, Cr7C3, W2C) do các nguyên tố C và Fe, Cr, W và các nguyên tố khác tạo ra cũng thúc đẩy cải thiện độ cứng vi mô của lớp phủ.
(5) Phân tích ma sát của lớp phủ ốp Đường cong hệ số ma sát theo thời gian được thể hiện ở Hình 5. Khi không thêm WC vào lớp phủ ốp, hệ số ma sát trung bình của lớp phủ composite là 0.69; khi thêm hạt WC với khối lượng 5%, hệ số ma sát của lớp phủ composite là 0.72; khi thêm hạt WC với khối lượng 10%, hệ số ma sát trung bình của lớp phủ composite là nhỏ nhất, là 0.58; khi thêm hạt WC với khối lượng 15%, hệ số ma sát trung bình của lớp phủ composite là 0.86; khi thêm hạt WC với khối lượng 20%, hệ số ma sát trung bình của lớp phủ composite là 0.59.

Khi WC được thêm vào lớp phủ, nó có thể làm tăng đáng kể độ cứng của lớp phủ. Khi chịu tác động mài mòn bên ngoài, lớp phủ có độ cứng cao có thể chống lại hiệu quả hơn sự cắt và trầy xước của các hạt mài mòn, do đó cải thiện khả năng chống mài mòn. Thêm WC cũng có thể tinh chỉnh kích thước hạt của lớp phủ, do đó cải thiện độ bền và độ cứng của lớp phủ. Các hạt tinh chỉnh có thể làm tăng khả năng chống trượt trật khớp và cải thiện khả năng chống mài mòn của lớp phủ. Khi hàm lượng WC tăng lên, hệ số ma sát có xu hướng tăng lên. Điều này là do quá nhiều hạt WC có thể làm suy yếu lực liên kết giữa lớp phủ và chất nền. Khi chịu tác động mài mòn bên ngoài, lớp phủ có nhiều khả năng bong ra khỏi chất nền, do đó làm giảm khả năng chống mài mòn.
Tốc độ mài mòn của từng lớp ốp được tính theo công thức (1), và biểu đồ thanh lượng mài mòn và tốc độ mài mòn của lớp phủ composite FeCoCrNiMn-xWC với các hàm lượng WC khác nhau được vẽ như thể hiện trong Hình 6. Tốc độ mài mòn của lớp phủ ốp FeCoCrNiMn không có hạt WC là 1.308×10-5 g/(N·m), tốc độ mài mòn của lớp phủ composite 5%WC là 1.278×10-5 g/(N·m), tốc độ mài mòn của lớp phủ composite 10%WC là 0.857×10-5 g/(N·m), tốc độ mài mòn của lớp phủ composite 15%WC là 0.917×10-5 g/(N·m) và tốc độ mài mòn của lớp phủ composite 20%WC là 0.910×10-5 g/(N·m). Trong đó, lượng hao mòn và tốc độ hao mòn của lớp phủ composite 10%WC là thấp nhất, khả năng chống mài mòn cũng tốt nhất.
Hình thái vi mô của vết mòn lớp phủ sau thử nghiệm ma sát và mài mòn được thể hiện trong Hình 7. Hình 7 (a) cho thấy rằng khi không thêm WC, hình thái vết mòn của lớp phủ composite cho thấy độ bám dính mạnh, vật liệu kết dính bề mặt rõ ràng và chủ yếu là độ bám dính, và chế độ mài mòn chính là mài mòn kết dính; Hình 7 (b) cho thấy hình thái vết mòn của lớp phủ composite 5% WC. Việc bổ sung WC vết có tác dụng giảm mài mòn rõ ràng đối với lớp phủ composite, làm giảm hiện tượng bong tróc của lớp phủ và có hiện tượng cày và oxit kim loại rõ ràng trong vùng mài mòn; Hình 7 (c) cho thấy hình thái mài mòn của lớp phủ composite 10% WC, trong đó hiện tượng cày giảm và hiện tượng bong tróc tăng; Hình 7 (d) cho thấy hình thái mài mòn của lớp phủ composite 15% WC, trong đó hiện tượng bong tróc và cày ma sát có thể nhìn thấy được, và oxit kim loại trên bề mặt lớp phủ composite tăng lên; Hình 7 (e) cho thấy hình thái vết mòn của lớp phủ composite 20% WC. Khi thêm nhiều hạt WC hơn, hiện tượng tách lớp và bong tróc ở vùng mài mòn của lớp phủ giảm đáng kể, thể tích của các lỗ cũng giảm. Cr có thể tạo thành các cacbua như Cr7C3 và Fe3C với các nguyên tố như Fe và C, và tạo thành Cr2O3 với chất bôi trơn rắn bằng O. WC sẽ tạo thành dung dịch rắn W2C sau khi phân hủy, giúp cải thiện khả năng chống mài mòn của lớp phủ. Tóm lại, kết hợp với phân tích lý thuyết về ma sát, dạng mài mòn của lớp phủ composite chủ yếu là mài mòn và mài mòn oxy hóa, kèm theo mài mòn kết dính.

Ứng dụng 3
Kết quả của bài báo này đã được sử dụng trong sản xuất lớp phủ bề mặt rãnh giữa của băng tải cào loại SGZ800/1710 để vận chuyển than của Công ty TNHH Thiết bị nặng Xi'an Pubai Coal Mine Machinery, và độ dày lớp phủ đạt 3 mm. Sau thử nghiệm công nghiệp kéo dài 240 ngày trong mỏ than, độ dày mài mòn của rãnh giữa là 3~5 mm, trong khi độ dày mài mòn của tấm chống mài mòn NM450 là 5~10 mm và khả năng chống mài mòn của nó được cải thiện đáng kể.

Kết luận 4
(1) Việc bổ sung các hạt WC đã làm thay đổi đáng kể cấu trúc vi mô của lớp phủ. Cấu trúc vi mô của lớp phủ ốp FeCoCrNiMn-xWC chủ yếu bao gồm các tinh thể đẳng trục và các nhánh cây hình cột. Khi hàm lượng WC tăng lên, các hạt WC và pha BCC cũng tăng lên, cấu trúc vi mô của lớp phủ được tinh chỉnh đáng kể. Cấu trúc vi mô chủ yếu là pha FCC và pha BCC, và chứa một lượng nhỏ pha WC, W2C và Cr7C3.
(2) Lượng hạt WC bổ sung có ảnh hưởng đáng kể đến tính chất cơ học của lớp phủ. Khi hàm lượng WC tăng lên, độ cứng vi mô của lớp phủ tăng lên đáng kể. Độ cứng vi mô trung bình của lớp phủ WC 10% là cao nhất, với giá trị lớn nhất là 484.5 HV0.3.
(3) Độ hao mòn và tỷ lệ hao mòn của lớp phủ ốp WC 10% là thấp nhất, lần lượt là 0.011 4 g và 0.857×10-5 g/(N·m). Khả năng chống mài mòn là tốt nhất. Các chế độ mài mòn chủ yếu là mài mòn mài mòn và mài mòn oxy hóa, kèm theo mài mòn bám dính.