Al0.5FeCoCrNi高熵合金在液固两相流中的冲蚀磨损性能

温建程，唐群华，戴品强，2

（1.福州大学材料科学与工程学院，福州 350108；2.福建工程学院材料科学与工程系，福州 350108）

0 引 言

冲蚀磨损是指材料受到流动粒子冲击而导致表面损耗的现象。在水力机械中，冲蚀磨损尤为突出，是材料破坏和设备失效的一个重要原因。在含沙量较高的河段，水利水电设施在液固两相流作用下的冲蚀磨损现象很严重［1－3］。目前，在液固两相冲蚀环境中工作的设备（如水轮机叶片等）大都采用不锈钢制造，但该钢的冲蚀磨损性能较差［4－5］。因此，寻求一种冲蚀磨损性能更好的替代材料一直是研究人员追求的目标。

叶均蔚［6］最早提出了高熵合金的概念。与传统合金以一种或两种元素为主元不同，高熵合金以不少于5种元素为主元，每种元素所占的物质的量分数为5%～35%［7］，即此类合金是由多种元素集体作用而形成的，因此表现出了与传统合金不同的特性。通过不同的元素成分设计，高熵合金可以获得优异的性能，如高的强度［8］、硬度［9］以及优良的耐高温回火软化性能［10］、耐腐蚀性能［11］、耐磨损性能［12］等，有望成为制造水轮机叶片等的理想材料，但关于其在液固两相流中冲蚀磨损性能的研究一直是空白。因此，作者对Al0.5FeCoCrNi高熵合金在模拟液固两相流环境中的冲蚀磨损性能进行了研究，并与目前水轮机叶片材料00Cr13Ni5Mo不锈钢进行了对比，为扩大高熵合金的应用提供一定的试验依据和理论参考。

1 试样制备与试验方法

以纯度超过99%的纯金属铝、钴、铬、铁、镍为原料，按照物质的量比配料后，采用GDJ500C型多功能熔炼炉在氩气保护下熔炼Al0.5FeCoCrNi高熵合金。铸锭的质量约为50g，熔化温度为2000℃（为保证高熵合金成分均匀，均反复熔炼4次）；然后在EX2－4－13T型箱式电阻炉中进行热处理，温度分别为800，1000℃，保温12h后进行水淬处理。将高熵合金和取自水轮机叶片上的00Cr13Ni5Mo不锈钢线切割成10mm×10mm×3mm的试样，依次采用400＃、600＃、800＃、1200＃SiC砂纸打磨其表面，然后放入酒精中进行超声清洗。

Al0.5FeCoCrNi高熵合金与00Cr13Ni5Mo不锈钢的化学成分如表1所示，它们的硬度分别为204HV（铸态）和263.5HV。

冲蚀磨损试验在自行设计的冲蚀磨损试验装置上进行，装置由电机（提供动力）、转轴、装置盘、试样夹等组成，如图1所示。其中，在装置盘上距圆心50mm处均匀分布两组与线速度方向成0°，30°，45°，60°，90°的通透矩形孔，用于固定试样夹。试样夹整体呈“T”字形，底部带有凹槽，用于夹持试样。冲蚀试验过程中试样的非暴露面用石蜡涂封。

表1 Al0.5FeCoCrNi高熵合金与00Cr13Ni5Mo不锈钢的化学成分（质量分数）Tab.1 Chemical composition of Al0.5FeCoCrNi high－entropy alloy and 00Cr13Ni5Mo stainless steel（mass） %

图1 冲蚀磨损试验装置示意Fig.1 Abridged general view of erosion wear experiment device

试验介质选用石英砂（平均粒径300μm，硬度1120HV）与水混合而成的砂浆（m水：m沙＝5∶1），模拟含沙河流中水轮机的工作环境，温度为室温。石英砂的冲蚀速度分别为2.0，3.6，6.8m·s－1；冲蚀时间分别为2，4，8，12，16h；冲蚀角度分别为0°，30°，45°，60°，90°。

用精度为0.1mg的感量光电分析天平称量试样冲蚀磨损前后的质量，并采用式（1）计算试样的质量损失率。

式中：ε为试样的质量损失率，g·m－2；Δm为质量损失，g；S 为试样的表面积，m2。

利用XJZ－6A型光学显微镜观察试样冲蚀前的显微组织，腐蚀剂为王水（VHCl∶VHNO3＝3∶1）；采用HVS－1000型显微硬度计进行硬度测试，载荷为4.90N，加载时间为10s，取5个点的平均值；采用S－3400Ⅱ型扫描电镜（SEM）观察冲蚀磨损后的表面形貌。

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织和硬度

由图2可知，铸态Al0.5FeCoCrNi高熵合金的组织为典型的树枝晶形貌，00Cr13Ni5Mo不锈钢为条状马氏体组织。马氏体属于硬度很高而韧性较差的组织，故不锈钢的强度和硬度高于高熵合金的。

由图3可见，在800，1000℃淬火处理后，高熵合金仍为树枝晶形貌，由枝晶相和枝晶间相组成，且晶粒内存在析出的细小第二相，这些第二相弥散分布，能够显著提高高熵合金的强度［13］。高熵合金在800℃和1000℃淬火后的硬度分别为357.3，249.8HV，均高于铸态的（204HV）。

图2 铸态Al0.5FeCoCrNi高熵合金和00Cr13Ni5Mo不锈钢的显微组织Fig.2 Microstructure of Al0.5FeCoCrNi high－entropy alloy and 00Cr13Ni5Mo stainless steel

图3 Al0.5FeCoCrNi高熵合金在不同温度热处理后的显微组织Fig.3 Microstructure of Al0.5FeCoCrNi high－entropy alloy after heat treatment at different temperatures

2.2 冲蚀参数和热处理对冲蚀磨损性能的影响

2.2.1 冲蚀角度的影响

图4 Al0.5FeCoCrNi高熵合金和00Cr13Ni5Mo不锈钢质量损失率－冲蚀角度的关系曲线（冲蚀速度为3.6m·s－1，冲蚀时间为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）

由图4可知，当冲蚀速度为3.6m·s－1、冲蚀时间为4h时，在各冲蚀角度下，Al0.5FeCoCrNi高熵合金的质量损失率均低于00Cr13Ni5Mo不锈钢的；在冲蚀角度为30°和60°时，二者的质量损失率均较低，冲蚀角度为0°和90°时的质量损失率均较大，冲蚀角度为45°时的质量损失率最大，冲蚀磨损最为严重。这表明，在不同冲蚀角度下，材料所受的冲蚀效果不同。这主要是由于，介质（砂浆）作用在试样冲蚀面上的力可分解为水平分量和垂直分量，它们对材料造成损伤的机制不同［14］；水平分量对冲刷面产生微切削作用，而垂直分量则产生撞击。随着冲蚀角度的变化，这两种损伤机制此消彼长，相互作用［15］。在小角度冲蚀时，水平分量的作用较强，因而材料损失的主要原因是切削；在大角度冲蚀时，垂直分量的作用突出，固相粒子撞击材料表面引起材料流失占主导［16］。冲蚀角度为0°时的质量损失率明显小于90°时的，说明垂直分量产生的撞击对材料损失的影响比水平分量产生的切削作用对材料的影响更为突出。当冲蚀角度为45°时，切削和撞击共同作用于材料表面，此时产生的损伤最大，所以材料的质量损失率最大。据文献［17］报道，脆性材料的质量损失率随冲蚀角度的增大而增大，最大质量损失率在90°处，而韧性材料的最大质量损失率在15°～40°之间，与本试验的结果（45°冲蚀角度下的质量损失率最大）相似，这也说明Al0.5FeCoCrNi高熵合金和00Cr13Ni5Mo不锈钢呈现出了韧性材料的冲蚀磨损特性，这一点将通过下文的冲蚀形貌加以佐证。

2.2.2 冲蚀速度的影响

由图5可见，当冲蚀角度为90°、冲蚀时间为4h时，各冲蚀速度下Al0.5FeCoCrNi高熵合金的质量损失率均小于00Cr13Ni5Mo不锈钢的；这两种材料的质量损失率均随着冲蚀速度的增大而增大。这是由于随着冲蚀速度增大，冲蚀介质作用在试样表面的动能也相应增大，试样表面的破坏程度增加［18］，导致材料的冲蚀磨损加剧，故而质量损失率增大。随着冲蚀速度由2.0m·s－1增加到6.8m·s－1，两种材料的质量损失率均大幅增加了近7倍，这说明冲蚀速度对材料质量损失率的影响较为突出。

图5 Al0.5FeCoCrNi高熵合金和00Cr13Ni5Mo不锈钢质量损失率－冲蚀速度的关系曲线（冲蚀角度为90°，冲蚀时间为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 冲蚀时间的影响

由图6可知，当冲蚀速度为3.6m·s－1、冲蚀角度为90°时，Al0.5FeCoCrNi高熵合金与00Cr13Ni5Mo不锈钢的质量损失率都随着冲蚀时间的延长而呈线性增加，且前者的质量损失率低于后者的。

上述结果表明，在相同的试验条件下，与00Cr13Ni5Mo不锈钢相比，虽然 Al0.5FeCoCrNi高熵合金的硬度较低，但其耐冲蚀磨损性能更好。由此可见，材料的硬度并不是其冲蚀磨损性能的决定性因素。文献［19］也表明陶瓷材料的硬度很高，但其冲蚀磨损性能并不理想。

2.2.4 热处理的影响

在相同的冲蚀条件下，铸态Al0.5FeCoCrNi高熵合金的质量损失率为6.1223g·m－2，其在1000，800℃热处理后的质量损失率分别为5.2398，3.5779g·m－2。可见，热处理后高熵合金的质量损失率均比铸态的低，这表明热处理能够提高Al0.5FeCoCrNi高熵合金的冲蚀磨损性能。

2.3 表面冲蚀形貌

图6 Al0.5FeCoCrNi高熵合金和00Cr13Ni5Mo不锈钢质量损失率－冲蚀时间的关系曲线（冲蚀速度为3.6m·s－1，冲蚀角度为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°的冲蚀角度下，Al0.5FeCoCrNi高熵合金和00Cr13Ni5Mo不锈钢表面的冲蚀痕迹较为相似，材料流失方式均为微切削，如图7（a～b）所示。这是因为经30°的小角度冲蚀后，水平分量导致的切削起主要作用。此外，Al0.5FeCoCrNi高熵合金的冲蚀表面上存在较多由石英砂切削引起的窄而深的犁沟，如图7（a）中箭头A所示，同时存在较多的挤压唇；00Cr13Ni5Mo不锈钢的冲蚀表面上也存在类似的犁沟和挤压唇，如图7（b）中的箭头B所示。

在45°的冲蚀角度下，Al0.5FeCoCrNi高熵合金和00Cr13Ni5Mo不锈钢表面上均不存在较深的犁沟，而且由石英砂切削引起的冲蚀痕迹都较为平缓，如图7（c～d）所示，这可能是45°冲蚀角度下水平切削和垂直撞击交互作用的结果。在此条件下，水平切削和垂直撞击引起的材料流失相互促进，大大加速了材料的冲蚀磨损，故这两种材料的质量损失率均最大。此外，在00Cr13Ni5Mo不锈钢表面上可以观察到少量孔洞和裂纹，分别如图7（d）中箭头C和D所示。

由图8可见，在较高的冲蚀速度下，砂粒切削和撞击材料表面的动能大大增加，故冲蚀痕迹和挤压唇同样加深增大，材料的质量损失率也急速增加。Al0.5FeCoCrNi高熵合金表面可看到大量的塑形变形，冲刷面大部分为较大的呈挤压唇状的凹坑，如图中的箭头E所示，同时可以观察到细小的片状细屑。不锈钢的表面较为平整，凹坑较平且浅，只存在少量的挤压变形，材料的流失伴随着脆性剥落，如箭头F所示。Al0.5FeCoCrNi高熵合金的硬度较低，容易被高速砂粒切削、挤压成较深的犁沟，从而发生较大的塑形变形。00Cr13Ni5Mo不锈钢的硬度较大，且马氏体本身的韧性较差，不会发生类似于高熵合金的大量塑性变形，在砂粒的反复高速冲击下易发生断裂（表层疲劳开裂），不易形成深的冲蚀痕迹；同时开裂形成的裂纹在随后高速砂粒的冲击下，进一步萌生和扩展，以至于碎裂剥落。文献［1，20－21］也认为不锈钢表现出了低韧性硬脆相的破坏形式——剥落与碎裂。

图7 Al0.5FeCoCrNi高熵合金和00Cr13Ni5Mo不锈钢在不同冲蚀角度下的表面冲蚀形貌（冲蚀速度为3.6m·s－1，冲蚀时间为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）

图8 Al0.5FeCoCrNi高熵合金与00Cr13Ni5Mo不锈钢在冲蚀角度为90°、冲蚀速度为6.8m·s－1、冲蚀时间为4h下的表面冲蚀形貌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 结 论

（1）铸态Al0.5FeCoCrNi高熵合金的组织为典型的树枝晶形貌，00Cr13Ni5Mo不锈钢的为条状马氏体，后者的硬度较前者的高；热处理能提高高熵合金的硬度和冲蚀磨损性能，且在800℃热处理后的更好。

（2）当冲蚀角度为45°时，高熵合金和不锈钢的质量损失率均达到最大，呈现出韧性材料的冲蚀磨损特性；随着冲蚀速度和冲蚀时间增加，高熵合金和不锈钢的质量损失率均增大，且不锈钢的质量损失率大于高熵合金的。

（3）Al0.5FeCoCrNi高熵合金的冲蚀磨损机制以切削、犁削和塑性变形为主；00Cr13Ni5Mo不锈钢的冲蚀磨损机制主要为切削和挤压变形，且伴有碎裂与剥落。

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