纳米晶W-Ta-Cr-V高熵合金块体的制备与高温热稳定性研究

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纳米晶W-Ta-Cr-V高熵合金作为一种新开发的难熔高熵合金,由于其优异的抗辐照性能展现出广阔的应用前景。但目前由于制备工艺等因素的限制,使得制备的材料晶粒尺寸相对粗大、热稳定性较差、纳米晶样品的尺寸也大多局限于薄膜或涂层阶段。本课题旨在利用机械合金化和高温高压烧结相结合的技术获得块体纳米晶难熔高熵合金,研究其在热处理过程中微观结构和力学性能的变化,并通过Y元素的添加,分析其在晶粒稳定化中的作用。本课题通过24 h的高能球磨获得了晶粒尺寸为8 nm左右的纳米晶W38Ta36Cr15V11高熵合金粉末,所获得的粉末均为单相BCC结构。球磨后的纳米晶W38Ta36Cr15V11合金粉末在高温(700℃~1100℃)高压(4 GPa)条件下烧结。随着烧结温度的升高,W38Ta36Cr15V11合金的相对密度不断增大。在4 GPa、900℃条件下烧结的W38Ta36Cr15V11、W38Ta36Cr15V11-1at.%Y合金的平均晶粒尺寸分别为19 nm、12nm。两种合金块体的维氏硬度与平均晶粒尺寸符合霍尔佩奇关系,因此纳米晶W-Ta-Cr-V高熵合金的高硬度主要归因于细晶强化。研究发现Y元素对纳米晶晶粒的稳定作用较显著,仅1 at.%Y就可以使W38Ta36Cr15V11高熵合金的平均晶粒尺寸在1300℃退火1 h后稳定在30 nm左右。而未添加Y的高熵合金在相同条件下的平均晶粒尺寸在77 nm左右。在1500℃退火1 h后,未添加Y元素的高熵合金平均晶粒尺寸为231 nm左右,而相同处理条件下添加1 at.%Y后平均晶粒为100 nm左右。对W-Ta-Cr-V高熵合金进行TEM分析表明:W38Ta36Cr15V11-1at.%Y合金的晶界有大量的纳米晶Y2O3析出,并且平均晶粒尺寸在2 nm左右。所以W38Ta36Cr15V11-1at.%Y高热稳定性的原因是Y元素在高温高压烧结过程中与材料中的O原子反应生成Y2O3,此外,Y元素偏析到晶界。Y2O3对晶界起到钉扎作用,偏析的Y降低晶界能。研究还发现Y元素的添加可以改善Cr元素的偏聚。同时相同热处理条件下W38Ta36Cr15V11-1at.%Y合金具有更高的维氏硬度,高温压缩试验表明W38Ta36Cr15V11-1at.%Y在900℃的压缩屈服强度高达1421 MPa,而未添加Y的高熵合金在900℃的压缩屈服强度为1194 MPa。
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