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，2

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

0 引 言

沖蝕磨損是指材料受到流動粒子沖擊而導致表面損耗的現象。在水力機械中，沖蝕磨損尤為突出，是材料破壞和設備失效的一個重要原因。在含沙量較高的河段，水利水電設施在液固兩相流作用下的沖蝕磨損現象很嚴重［1－3］。目前，在液固兩相沖蝕環境中工作的設備（如水輪機葉片等）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。

葉均蔚［6］最早提出了高熵合金的概念。與傳統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的量分數為5%～35%［7］，即此類合金是由多種元素集體作用而形成的，因此表現出了與傳統合金不同的特性。通過不同的元素成分設計，高熵合金可以獲得優異的性能，如高的強度［8］、硬度［9］以及優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葉片等的理想材料，但關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Al0.5FeCoCrNi高熵合金在模擬液固兩相流環境中的沖蝕磨損性能進行了研究，并與目前水輪機葉片材料00Cr13Ni5Mo不銹鋼進行了對比，為擴大高熵合金的應用提供一定的試驗依據和理論參考。

1 試樣制備與試驗方法

以純度超過99%的純金屬鋁、鈷、鉻、鐵、鎳為原料，按照物質的量比配料后，采用GDJ500C型多功能熔煉爐在氬氣保護下熔煉Al0.5FeCoCrNi高熵合金。鑄錠的質量約為50g，熔化溫度為2000℃（為保證高熵合金成分均勻，均反復熔煉4次）；然后在EX2－4－13T型箱式電阻爐中進行熱處理，溫度分別為800，1000℃，保溫12h后進行水淬處理。將高熵合金和取自水輪機葉片上的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，然后放入酒精中進行超聲清洗。

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

沖蝕磨損試驗在自行設計的沖蝕磨損試驗裝置上進行，裝置由電機（提供動力）、轉軸、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不銹鋼的化學成分（質量分數）Tab.1 Chemical composition of Al0.5FeCoCrNi high－entropy alloy and 00Cr13Ni5Mo stainless steel（mass） %

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

試驗介質選用石英砂（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的工作環境，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量，并采用式（1）計算試樣的質量損失率。

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

利用XJZ－6A型光學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型顯微硬度計進行硬度測試，載荷為4.90N，加載時間為10s，取5個點的平均值；采用S－3400Ⅱ型掃描電鏡（SEM）觀察沖蝕磨損后的表面形貌。

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織和硬度

由圖2可知，鑄態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，且晶粒內存在析出的細小第二相，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，均高于鑄態的（204HV）。

圖2 鑄態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 沖蝕參數和熱處理對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不銹鋼質量損失率－沖蝕角度的關系曲線（沖蝕速度為3.6m·s－1，沖蝕時間為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，當沖蝕速度為3.6m·s－1、沖蝕時間為4h時，在各沖蝕角度下，Al0.5FeCoCrNi高熵合金的質量損失率均低于00Cr13Ni5Mo不銹鋼的；在沖蝕角度為30°和60°時，二者的質量損失率均較低，沖蝕角度為0°和90°時的質量損失率均較大，沖蝕角度為45°時的質量損失率最大，沖蝕磨損最為嚴重。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（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，它們對材料造成損傷的機制不同［14］；水平分量對沖刷面產生微切削作用，而垂直分量則產生撞擊。隨著沖蝕角度的變化，這兩種損傷機制此消彼長，相互作用［15］。在小角度沖蝕時，水平分量的作用較強，因而材料損失的主要原因是切削；在大角度沖蝕時，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［16］。沖蝕角度為0°時的質量損失率明顯小于90°時的，說明垂直分量產生的撞擊對材料損失的影響比水平分量產生的切削作用對材料的影響更為突出。當沖蝕角度為45°時，切削和撞擊共同作用于材料表面，此時產生的損傷最大，所以材料的質量損失率最大。據文獻［17］報道，脆性材料的質量損失率隨沖蝕角度的增大而增大，最大質量損失率在90°處，而韌性材料的最大質量損失率在15°～40°之間，與本試驗的結果（45°沖蝕角度下的質量損失率最大）相似，這也說明Al0.5FeCoCrNi高熵合金和00Cr13Ni5Mo不銹鋼呈現出了韌性材料的沖蝕磨損特性，這一點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，當沖蝕角度為90°、沖蝕時間為4h時，各沖蝕速度下Al0.5FeCoCrNi高熵合金的質量損失率均小于00Cr13Ni5Mo不銹鋼的；這兩種材料的質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，沖蝕介質作用在試樣表面的動能也相應增大，試樣表面的破壞程度增加［18］，導致材料的沖蝕磨損加劇，故而質量損失率增大。隨著沖蝕速度由2.0m·s－1增加到6.8m·s－1，兩種材料的質量損失率均大幅增加了近7倍，這說明沖蝕速度對材料質量損失率的影響較為突出。

圖5 Al0.5FeCoCrNi高熵合金和00Cr13Ni5Mo不銹鋼質量損失率－沖蝕速度的關系曲線（沖蝕角度為90°，沖蝕時間為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 沖蝕時間的影響

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

上述結果表明，在相同的試驗條件下，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［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Al0.5FeCoCrNi高熵合金的質量損失率為6.1223g·m－2，其在1000，800℃熱處理后的質量損失率分別為5.2398，3.5779g·m－2。可見，熱處理后高熵合金的質量損失率均比鑄態的低，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不銹鋼質量損失率－沖蝕時間的關系曲線（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。這是因為經30°的小角度沖蝕后，水平分量導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，大大加速了材料的沖蝕磨損，故這兩種材料的質量損失率均最大。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能大大增加，故沖蝕痕跡和擠壓唇同樣加深增大，材料的質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，同時可以觀察到細小的片狀細屑。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，不會發生類似于高熵合金的大量塑性變形，在砂粒的反復高速沖擊下易發生斷裂（表層疲勞開裂），不易形成深的沖蝕痕跡；同時開裂形成的裂紋在隨后高速砂粒的沖擊下，進一步萌生和擴展，以至于碎裂剝落。文獻［1，20－21］也認為不銹鋼表現出了低韌性硬脆相的破壞形式——剝落與碎裂。

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 論

（1）鑄態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）當沖蝕角度為45°時，高熵合金和不銹鋼的質量損失率均達到最大，呈現出韌性材料的沖蝕磨損特性；隨著沖蝕速度和沖蝕時間增加，高熵合金和不銹鋼的質量損失率均增大，且不銹鋼的質量損失率大于高熵合金的。

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

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