CoCrFeNiTiAl系多主元高熵合金的制備及其組織性能和形成機(jī)理研究.pdf

1、多主元高熵合金的制備超出了傳統(tǒng)合金以一種或兩種元素為主元的設(shè)計(jì)理念,這種合金通常包含5種或5種以上的組元,且每種元素的原子比例在5％-35％之間。高熵合金設(shè)計(jì)理念的提出,為合金材料的研究開(kāi)辟了一個(gè)全新的領(lǐng)域,通過(guò)優(yōu)化的成分設(shè)計(jì),高熵合金可以同時(shí)擁有多種優(yōu)異性能,如高硬度、高強(qiáng)度、抗高溫蠕變、耐高溫氧化、耐腐蝕和磁電特性等。本文通過(guò)對(duì)鑄態(tài)和退火態(tài)CoCrFeNiCuAl和CoCrFeNiTiAlx系高熵合金的系統(tǒng)研究,探討了多主元合金的相

2、組成、組織和結(jié)構(gòu)形成規(guī)律,并對(duì)合金的物理性能進(jìn)行表征。同時(shí)將高熵合金的制備方法拓展到機(jī)械合金化工藝,研究了球磨時(shí)間和后續(xù)熱處理對(duì)合金化和相組成的影響。
　　 迄今為止,大部分研究文獻(xiàn)對(duì)高熵合金的相組成只是簡(jiǎn)單地標(biāo)注為BCC或FCC結(jié)構(gòu)固溶體,對(duì)具體的相組成則沒(méi)有進(jìn)行深入的探討。本文在研究鑄態(tài)CoCrFeNiCuAl合金時(shí),明確了合金的相組成為以有序NiAl金屬間化合物基二次固溶體和(α-Fe,CE)固溶體的納米調(diào)制結(jié)構(gòu)為枝晶基體

3、,而枝晶間組織為富銅的FCC結(jié)構(gòu)固溶體。合金枝晶區(qū)域富含Co、Cr、Fe、Ni、Al等元素,而枝晶間區(qū)域富含元素Cu。退火后枝晶區(qū)域的納米調(diào)幅結(jié)構(gòu)消失,枝晶中(α-Fe,Cr)固溶體發(fā)生相變形成FCC結(jié)構(gòu)多元素共存固溶體,枝晶問(wèn)仍為富銅FCC結(jié)構(gòu)固溶體。鑄態(tài)合金具有較高的壓縮強(qiáng)度和較好的塑性變形能力,其壓縮屈服強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度高達(dá)1.50GPa和1.82GPa,塑性變形量為20.4％。熱處理后合金的強(qiáng)度有所下降,而塑性變形量升高至34％。

4、
　　 本文同時(shí)研究了Al含量對(duì)CoCrFeNiTiAl系高熵合金相組成、微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響。加入Al之后,合金的主晶相由FCC結(jié)構(gòu)變?yōu)锽CC結(jié)構(gòu),BCC相可以鑒定由NiAl金屬間化合物基固溶體、(α-Fe,Cf)固溶體和含多種元素的BCC固溶體組成。隨著Al含量的增加,合金中BCC固溶體結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定,Al含量大于x=1.0時(shí),合金僅由BCC結(jié)構(gòu)固溶體組成。添加Al后合金枝晶區(qū)域?yàn)镃o、Ni、Ti、Al元素的富集,而枝晶問(wèn)為F

5、e、Cr元素富集,且基體組織中出現(xiàn)大量的納米析出相。1000℃,2h熱處理對(duì)合金基體相結(jié)構(gòu)影響不大,只是在Al含量較低時(shí)(x≤1.0),合金中的化合物相含量上升,Al1.5和.Al2.0合金結(jié)構(gòu)無(wú)變化,均為簡(jiǎn)單BCC結(jié)構(gòu)。Al的加入使得鑄態(tài)CoCrFeNiTiAlx合金的塑性變形能力下降,而壓縮強(qiáng)度出現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)。退火態(tài)Al0合金具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能,其壓縮強(qiáng)度和應(yīng)變量分別達(dá)到2.46GPa和12.7％。鑄態(tài)合金的電阻率比傳統(tǒng)單質(zhì)

6、金屬高約6個(gè)數(shù)量級(jí),Al0合金的電阻率高達(dá)107x104μΩ·cm。對(duì)合金磁性能的測(cè)試發(fā)現(xiàn),鑄態(tài)和退火態(tài)合金的飽和磁化強(qiáng)度不高,屬于半硬磁合金的范疇。而退火態(tài).Al0.5和Al1.0合金具有高矯頑力,表現(xiàn)出鐵磁特性。
　　 對(duì)高熵合金結(jié)構(gòu)形成規(guī)律的分析表明,多主元合金能否形成固溶體,不僅取決于合金是否具有高混合熵ΔSmix,還取決于合金體系的混合焓△Hmix和原子尺寸差別因子δ,合金最終結(jié)構(gòu)是這些因素競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。經(jīng)過(guò)對(duì)已研究合金

7、體系的分析,得出多主元合金形成固溶體的經(jīng)驗(yàn)判據(jù)為:△Smix≥13.38J／K·mol,混合焓變范圍是-10KJ／mol到5KJ／mol,而原子半徑差異δ不大于4。
　　 本文將高熵合金的制備擴(kuò)展到機(jī)械合金化工藝,制備體系為等摩爾比CoCrFeNiCuAl和CoCrFeNiTiAl合金。CoCrFeNiCuAl合金粉體在球磨18h即開(kāi)始發(fā)生固溶反應(yīng),42h球磨合金X射線中只有最強(qiáng)的單衍射峰可見(jiàn),合金主晶相為BCC結(jié)構(gòu)固溶體,同時(shí)

8、包含F(xiàn)CC結(jié)構(gòu)固溶體、單質(zhì)納米晶和非晶相。經(jīng)過(guò)加熱處理,粉體中的組元擴(kuò)散進(jìn)一步被激活,過(guò)飽和固溶體脫溶、單質(zhì)納米晶發(fā)生固溶化、非晶晶化,在1000℃熱處理所得合金粉體巾主要包含F(xiàn)CC和BCC簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的固溶體,同時(shí)含少量有序BCC結(jié)構(gòu)NiAl金屬間化合物。球磨過(guò)程中CoCrFeNiCuAl合金粉體出現(xiàn)團(tuán)聚,經(jīng)60h球磨所得微米級(jí)合金顆粒實(shí)際為厚度在1μm左右的片狀顆粒通過(guò)軟團(tuán)聚堆積而來(lái),而片狀顆粒則是尺寸在50nm以下的納米晶形成硬團(tuán)聚的

9、結(jié)果。球磨制備CoCrFeNiTiAl合金具有類(lèi)似結(jié)果,只是球磨時(shí)間達(dá)到60h仍能看到Ti的衍射峰。經(jīng)過(guò)加熱處理,Ti衍射峰消失,1000℃熱處理粉體僅由簡(jiǎn)單BCC和FCC結(jié)構(gòu)固溶體相組成,比熔鑄制備的合金結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單。將60h球磨粉體在900℃熱壓燒結(jié),得到塊狀樣品的致密度大于97％,維氏硬度約為620HV,樣品主相為BCC結(jié)構(gòu)相,其中所含有序(100)峰乃NiAl金屬間化合物的衍射峰,次晶相為FCC固溶體相,以及少量CoTi2、Fe