轨道交通装备等离子熔覆CrFeCoNi再制造研究

王国钰，王忠平，韩振军

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东青岛 266000）

摘要：融合等离子熔覆技术与高熵合金的优异性能，对制造工艺复杂且成本高的轨道交通装备进行再制造，延长使用寿命，促进资源循环利用，推动绿色低碳发展。采用最优等离子熔覆工艺参数在HT250表面制备CrFeCoNi合金涂层。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)对合金涂层的组织结构及成分分布进行分析。使用维氏硬度计测量合金涂层表面的硬度。借助高温摩擦磨损试验机对合金涂层进行600 ℃的摩擦磨损实验。结果表明，CrFeCoNi合金涂层由单一的FCC固溶体相组成，涂层的硬度为170HV，CrFeCoNi合金涂层的摩擦磨损机制为氧化磨损。

关键词：等离子熔覆；高熵合金；轨道交通装备；组织结构；摩擦磨损；

引言

党的十九大报告提出，建立健全绿色低碳循环发展的经济体系，构建市场导向的绿色技术创新体系，推进资源全面节约和循环利用。装备再制造是绿色发展、循环发展的有效途径，可实现损伤或失效零部件尺寸恢复和服役性能强化。

等离子熔覆技术可实现装备再制造和表面强化。通过在损伤或失效的机械零部件表面熔覆一层功能涂层，恢复零部件尺寸，并提高其服役性能^[1]。

高熵合金，包含五种或五种以上主要元素，按照等摩尔比或近等摩尔比配成的固溶体合金，每种主要元素的原子百分比介于5%-35%之间。表现出高硬度、高强度、耐磨、耐腐蚀等优异性能^[2]。

针对轨道交通装备的失效，结合装备再制造理念，融合等离子熔覆技术与高熵合金的优异性能。课题对轨道交通装备的再制造进行基础性研究，有利于轨道交通装备寿命的延长和价值的充分利用。

1实验

1.1基体材料

课题采用HT250作为基体材料。HT250的组织主要由片状石墨和珠光体组成，试验选用100 mm×100 mm×10 mm的长方体试样。

1.2熔覆材料

试验选用纯度大于99%、粒度为60-120目的粉末状Cr，Fe，Co，Ni四种元素配制CrFeCoNi合金。元素均为第四周期过渡元素。

1.3涂层的制备

将等离子熔覆堆焊设备的焊枪夹持于六自由度工业机器人末端执行器，按照6道搭接双层堆焊的策略制备CrFeCoNi合金涂层。涂层长度为90mm，宽度为17mm，厚度为2mm。

2涂层的组织结构

图1所示为等摩尔合金CrFeCoNi涂层的X射线衍射图谱。对比PDF卡片分析可知，FCC固溶体相主要为以FeNi为基生成的单一固溶体。这是由于在等离子熔覆过程中，高的混合熵促使吉布斯自由能有效降低，从而促进了单一的FCC固溶体相的形成^[3]。

图1 合金涂层的X射线衍射图谱

图2所示为涂层的显微组织结构图，由图中可以看出涂层的组织极为均匀。这一方面归因于组成合金的Cr、Fe、Co、Ni四种元素均为第四周期的过渡元素，原子序数接近，原子尺寸差异小；另一方面是由于组成合金的四种元素原子对之间混合焓的绝对值小^[4]。

图2 合金涂层的显微组织

3涂层的摩擦磨损性能

图3为600℃下CrFeCoNi合金涂层的摩擦系数随时间的变化曲线。由图3可知，当实验温度为600℃时，磨合阶段持续8min后进入稳定磨损阶段。在磨合阶段，摩擦系数逐渐增大，在稳定磨损阶段，平均摩擦系数为0.579，摩擦系数在0.579上下波动。

图3 摩擦系数随时间的变化曲线

图4是600℃下涂层磨损表面形貌图。由图4可以看到磨损表面上存在釉层和氧化碎屑，主要的磨损机制为氧化磨损。此外，磨损表面上可明显观察到塑性变形的痕迹，这是由于合金涂层在600℃的高温和摩擦热的双重作用下发生了热软化，热软化使得合金涂层表面硬度降低^[5]。

图4 合金涂层磨损表面的SEM图像

3结论

在等离子熔覆过程中，涂层凝固时，高的混合熵促使吉布斯自由能有效降低，从而促进了单一的FCC固溶体相的形成。涂层的组织极为均匀。

600℃下CrFeCoNi合金涂层的摩擦系数为0.579，主要的磨损机制为氧化磨损。

参考文献

[1] 张保森,程江波,徐滨士.等离子熔覆(CuCoCrFeNi)₉₅B₅高熵合金涂层研究[J].稀有金属材料与工程,2014(5):1128-1132.

[2] 李工,崔鹏,张丽军.高熵合金研究现状[J].燕山大学学报,2018,42(02):95-104.

[3] Shun T T, Chang L Y, Shiu M H. Microstructure and mechanical properties of multiprincipal component CoCrFeNiMox alloys[J]. Materials Characterization, 2012, 70:63-67.

[4] Guanyu Deng, Anh Kiet Tieu, Xiaodong Lan. Effects of normal load and velocity on the dry sliding tribological behaviour of CoCrFeNiMo_0.2 high entropy alloy[J]. Tribology International, 2020, 144:106116.

[5] 杜黎明.Al_0.25CoCrFeNi高熵合金渗氮层的高温摩擦磨损性能研究[D].太原理工大学,2019.