AlCoCrFeMn系和AlCuNiTi系高熵合金组织与性能研究

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近些年来,多主元高熵合金以其优异的性能吸引着大批学者的目光。高熵合金的出现打破了传统合金的观念,其通常包含5种或5种以上元素,且每种元素的原子百分比在5%-35%之间。由于多主元高熵合金拥有多个主要元素,所以会造成高熵效应、迟滞扩散效应、晶格畸变效应和“鸡尾酒”效应,在这几种效应的综合作用下,高熵合金通常具有简单的相结构如体心立方结构和面心立方结构,同时具有优异的力学性能,如高硬度和高强度。但是高熵合金理论尚不完善,仍需要大量实验数据来完善理论。鉴于此,本工作熔炼了几种全新体系的合金,希望为高熵合金的理论体系的建立和后续研究提供一定的指导。本文对AlCoCrFeMn系和AlCuNiTi系高熵合金进行了热力学参数的计算,通过与现有的高熵合金相形成规律对比,发现目前规律预测结果仍然不够准确,无法准确的进行预测,在预测时可能需要考虑更多因素的相互竞争。采用非自耗真空电弧熔炼炉制备了AlCoCrFeMnTix(x=0,0.5,1)系高熵合金;AlCoCrFeMnZrx(x=0,0.5,1)系高熵合金;掺杂CeO2的AlCoCrFeMn系高熵合金,掺杂比例分别为0,1mass%,2mass%,5mass%;AlCuNiTixFeMn(x=0,0.2,0.4,0.6,0.8,1)系高熵合金;AlxCuNiTi Co(x=0,0.2,0.4,0.6,0.8,1)系高熵合金。此外还分别对AlCoCrFeMnTi高熵合金和AlxCuNiTiCo(x=0,0.2,0.4,0.6,0.8,1)系高熵合金分别进行了600℃、800℃和1000℃的退火处理。采用XRD,OM,SEM,EDS对合金的结构和形貌进行分析,进而采用显微维氏硬度计和摩擦磨损试验仪对合金进行硬度测试和耐磨性测试。研究结果表明:(1)对于AlCoCrFeMnTix系高熵合金,在不添加Ti元素时,合金为单一的BCC相结构;当Ti加入后,合金中出现了FCC相,且随着Ti含量的增加FCC相强度也逐渐提高。合金是典型树枝晶结构,Ti元素的加入有助于减小晶粒尺寸。合金的硬度和耐磨性随着Ti含量的增加而提高。(2)对于不同Zr含量的AlCoCrFeMnZrx高熵合金,随着Zr含量的增加,合金中的体心立方相逐渐减少,同时合金中出现了CrFe3Zr2相。Zr的加入使合金形貌发生显著变化,x=0.5时,合金形貌为类羽毛状,在x=1时,转变成较细的树枝状。随着Zr含量的增加,合金的硬度和耐磨性均逐渐提高。(3)对于掺杂不同含量CeO2的AlCoCrFeMn高熵合金,合金相结构均为单一的BCC相。随着合金中CeO2含量的提高,衍射峰强度也逐渐增强。CeO2使AlCoCrFeMn高熵合金的晶粒尺寸减小,晶界更加清晰,同时在枝晶区域发现少量白色颗粒的稀土元素。合金的硬度和耐磨性随着CeO2含量提高而增大,当CeO2含量为5mass%时,硬度和耐磨性达到最高值。(4)AlCuNiFeMn高熵合金在铸态下的结构为BCC的晶体结构和FCC的晶间结构。随着Ti的增加,合金的相组成未发生改变,合金晶粒得形状由胞状逐渐转变成树枝状,再转变成花瓣状。Ti的加入提高了合金的硬度,由最初的410HV(0.5)提高到510HV(0.5),同时耐磨性也得到了改善。(5)对于AlxCuNiTiCo高熵合金,当x=0时,合金由BCC相,eta(η)相和晶间FCC相组成。随着Al元素的添加,eta(η)相逐渐转变成BCC相,当x=1时,eta(η)消失,合金由枝晶的BCC相和晶间FCC相组成。Eta(η)相为富Ni、Co、Ti相,晶间为富Cu相。合金的硬度随着Al元素的添加整体呈升高的趋势,最高达到了475HV(0.5);AlCoCuNiTi的耐磨性优于CoCuNiTi合金。(6)经600℃、800℃和1000℃退火处理后,AlCoCrFeMnTi高熵合金由原来的双相结构转变成BCC相、FCC相和HCP相的三相结构。退火前后均为典型的树枝晶结构;经1000℃退火后,合金中出现了网格状的调幅分解组织,片层宽度介于100-200 nm范围内。AlCoCrFeMnTi合金铸态下合金硬度为700 HV(0.5);随着退火温度升高硬度值下降;当退火温度达到1000℃时,合金硬度值降低为604.9 HV(0.5)。(7)对于AlxCuNiTiCo系高熵合金,随着退火温度的升高,合金的相结构未发生明显变化,微观组织观察的结果也进一步证实了这个结论。其中x=0、x=0.4、x=0.8和x=1四种合金的硬度先随着退火温度的升高而增大,但是在1000℃时的硬度均比铸态时要低,在整体上AlxCuNiTiCo系高熵合金的热稳定性很好。
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