【摘 要】
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高熵合金是指由四种或四种以上的元素以等摩尔比组成的一种新型合金,该新颖的设计理念赋予了高熵合金独特的组织结构和优异的性能,如高强度、高韧性、高耐磨性能等。但由于高熵合金以固溶体结构为主,铸造流动性差,在凝固过程中容易出现宏/微观偏析与浇不足,因此有必要系统地研究合金的组织与性能演化机制。本文引入高熵铸铁的概念,采用高熵合金的思想设计合金成分。采用真空感应熔炼技术设计并制备了不同成分的Fe Co N
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高熵合金是指由四种或四种以上的元素以等摩尔比组成的一种新型合金,该新颖的设计理念赋予了高熵合金独特的组织结构和优异的性能,如高强度、高韧性、高耐磨性能等。但由于高熵合金以固溶体结构为主,铸造流动性差,在凝固过程中容易出现宏/微观偏析与浇不足,因此有必要系统地研究合金的组织与性能演化机制。本文引入高熵铸铁的概念,采用高熵合金的思想设计合金成分。采用真空感应熔炼技术设计并制备了不同成分的Fe Co Ni Cr C高熵铸铁,通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜和万能试验机等系统研究了高熵铸铁的微观组织和力学性能,并采用有限元方法研究其铸造性能,得出以下主要结论:（1）Fe Co Ni Cr Cx（=0.3、0.35、0.4、0.45、0.5）高熵铸铁由FCC固溶体相和M7C3两相组成,其中基体相主要由Fe、Co、Ni三种元素组成,M7C3相主要为Cr的碳化物;随着C元素含量的增加,Fe Co Ni Cr Cx高熵铸铁经历亚共晶→共晶→过共晶的转变,当C元素含量为0.45时,高熵铸铁的组织中出现大量的共晶团簇,此时的强度达到最大值1947 MPa,压缩形变率为18.96%,表现出较好的强度和塑性。（2）通过Fe和Cr元素的调整,设计了Fe2-xCo Ni CrxC0.45（=0.2、0.4、0.6、0.8）高熵铸铁,发现在Cr为0.8时,高熵铸铁强度达1934 MPa,压缩形变率为23.31%,塑性相比Fe Co Ni Cr C0.45高熵铸铁有所提高,这是由于塑性较好的基体相体积分数增多导致的;当Cr含量降低（=0.2、0.4）时,高熵铸铁发生石墨化析出,组织形貌由片状石墨相、FCC基体相和富Cr共晶碳化物相组成。（3）基于有限元模拟计算方法,建立Fe Co Ni Cr C高熵铸铁充型凝固过程的数学模型,采用有限元方法模拟研究,发现高熵铸铁具有优良的铸造流动性。相同条件下Fe1.2Co Ni Cr0.8C0.45高熵铸铁流动性是Fe Co Ni Cr C0.45的1.4倍,是球墨铸铁QT500-7的1.7倍;通过研究高熵铸铁的薄壁充型能力发现,高熵铸铁的水平薄壁充型能力大于竖直薄壁充型能力,这也许是竖直薄壁接触砂型的面积更大,换热速率更快所致;针对应力模型的研究发现,提高砂型预热温度可以显著降低高熵铸铁凝固过程中产生的铸造应力,当砂型预热温度从20℃提高到600℃时,最大的铸造应力从1381 MPa降低到98 MPa;研究了Fe1.2Co Ni Cr0.8C0.45高熵铸铁在整体式多路阀中的铸造应用实例,结果表明,通过提高浇注温度、增大冒口体积可以有效消除铸造过程中产生的缺陷,缺陷体积从6.478 cm~2下降至0.256cm~2,减少96%以上。
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