TIG表面熔覆AlCoCrFeNi2.1Tix高熵合金对球墨铸铁微观结构与摩擦学性能的调控机制研究

为解决球墨铸铁在极端工况下耐磨性不足的问题，研究人员采用TIG(钨极惰性气体保护焊)技术在球墨铸铁表面熔覆AlCoCrFeNi2.1Tix高熵合金(HEA)。通过调控Ti含量(x=0.1,0.5,1)获得FCC+BCC双相结构及TiC析出相，硬度最高达758 HV，较基体提升123%。摩擦实验表明Ti1样品在20N载荷下磨损率降低24%，摩擦系数下降28%，为工程部件表面强化提供了新方案。

　　

球墨铸铁因其优异的铸造性能和力学特性，广泛应用于发动机缸体、曲轴等关键部件。然而，其固有的耐磨性缺陷在高压、高磨损工况下常导致部件早期失效，造成巨大经济损失。传统表面改性技术如激光熔覆虽能提升性能，但存在设备成本高、热应力大等局限。为此，德黑兰大学团队创新性地采用经济高效的TIG技术，在球墨铸铁表面制备AlCoCrFeNi_2.1Ti_x高熵合金熔覆层，相关成果发表于《Journal of Materials Research and Technology》。

研究采用球磨预置粉末结合TIG双道熔覆工艺，通过精确控制稀释率(16-18%)确保成分准确性。利用SEM-EDS分析微观结构，XRD鉴定物相，维氏硬度仪测试力学性能，并通过销-盘磨损试验系统评估不同载荷(5/10/20N)下的摩擦学行为。

【3.1 物相鉴定】

XRD显示所有样品均形成FCC+BCC双相结构，Ti含量增加使BCC相峰强提升，VEC(价电子浓度)计算证实该趋势。TiC衍射峰在35°、41°和62°出现，其强度随Ti含量增加而增强，归因于球墨铸铁中石墨与Ti的强反应活性。

【3.2 微观结构特征】

熔覆层呈现典型的枝晶(DR)和枝晶间(ID)结构：DR区富集Al、Ni对应BCC相，ID区富含Fe、Cr对应FCC相。Ti_0.1样品中TiC呈准球形，而Ti₁样品中发展为树枝状，通过"碳壳扩散"机制形成。EBSD证实Ti≥0.5时出现有序B2相，其与BCC相的协同作用强化材料。

【3.3 硬度研究】

硬度梯度测试显示Ti_0.1、Ti_0.5、Ti₁平均硬度分别为470HV、525HV和758HV，较基体(340HV)显著提升。界面区域因快速冷却形成莱氏体组织，硬度达峰值。

【3.4 摩擦学特性】

Ti₁样品在5N和20N载荷下磨损率分别比基体低58%和24%。摩擦机制呈现载荷依赖性：5N时氧化磨损主导，形成连续Fe₂O₃保护层；10N转为氧化-磨粒复合磨损；20N时完全转变为磨粒磨损，但因加工硬化使摩擦系数降至0.36。

该研究创新性地将TIG技术应用于球墨铸铁-HEA复合体系，揭示了Ti含量对微观结构演变的调控规律。特别是通过原位生成TiC与B2相的协同强化，突破了传统表面改性的性能瓶颈。提出的"碳壳扩散"机制为金属基复合材料设计提供了新思路，其工艺成本仅为激光熔覆的1/5，在重型机械、汽车发动机等领域具有广阔应用前景。工作硬化效应的发现为高载荷工况下的材料选择提供了重要依据。