AlCoCuFeMnNi-M系多主元合金的组织与性能研究

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多主元高熵合金指至少由五种主要元素组成,且每种元素的原子百分比都不超50%的合金。多主元合金因其良好的综合性能一经发表便引起了科技工作者的高度重视。本文采用真空熔炼技术和等离子熔覆技术制备了AlCoCu FeMnNi-M系多主元合金,借助于扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、热分析仪(DSC)、显微硬度计及磨损试验机对其微观组织结构及力学性能进行了系统地分析与测试。采用非自耗真空熔炼炉粉体制备的AlCoCu FeMnNi多主元合金,经扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)分析,合金的组织分布均匀,晶间富Cu相组织与块体合金熔炼和粉体冶金制备相比,Cu的富集程度更低;合金的热分析(DSC)结果显示在Cu的熔点1080℃左右并没有吸热峰,表明其高温性能稳定,而块体合金熔炼和粉体冶金制备的类似合金会在Cu的熔点附近出现明显的吸热峰;经计算合金的晶间和晶内熵值均大于1.6R,符合高熵合金要求,同时结合X射线衍射(XRD)结课证明合金由体心立方(BCC)和面心立方(FCC)的固溶体结构组成;AlCoCuFeMnNi合金硬度分布均匀,在390HV0.2左右,稳定干摩擦系数为0.46,摩擦性能优良。AlCoCuFeMnNi多主元合金性能优良,但制备合金的原料价格高昂,且制备过程复杂。因此,为降低成本,推广AlCoCuFeMnNi多主元合金的实际应用,本文采用等离子熔覆技术,在铸铁HT250和Q235钢基体上制备了AlCoCuFeMnNi-M高熵合金涂层。SEM和EDS分析结果表明在HT250基体上制备的合金涂层,由于基体中Fe和C元素会较多地溶入合金涂层,造成其组织和成分复杂,并且成型可控性较差,而在Q235钢基体上制备的合金涂层,与HT250的相比,其组织均匀,成型良好,适合推广应用。为揭示AlCoCuFeMnNi多主元合金晶内BCC和FCC的转变机制,研究了不同Al含量的AlXCoCuFeMnNi多主元合金涂层的组织和性能,XRD结果表明Al含量的变化不仅改变了合金的相结构,而且改变了FCC晶粒的择优取向。综合分析结果认为FCC向BCC的转变机制为:Al加入合金后与Ni形成NiAl金属间化合物,剩余元素形成了BCC晶体结构的固溶体。而且AlXCoCuFeMnNi合金涂层的硬度值随Al元素含量的增加显著提高。在Q235钢基体上制备的添加不同Al含量的AlXCoCuFeMnNi多主元合金涂层,其SEM检测结果显示合金的枝晶间组织存在弱化现象,为强化枝晶,提高AlCoCuFeMnNi合金涂层的综合性能,本文在AlCoCu FeMnNi合金涂层制备过程中分别添加了不同质量分数的WC粉末(10%,20%,30%),稀土CeO2(0.5%,1.0%,1.5%)和以等摩尔、混合摩尔比代替Ni元素的Ni60A粉末。实验结果表明合金的枝晶间组织得到明显强化的同时,其硬度值也显著提高,其中30%(wt)WC粉末和等摩尔的Ni60粉末对其强化效果最为明显。同时发现稀土CeO2细化AlCoCuFeMnNi多主元合金晶粒的机理不同于细化Fe基合金时的非自发形核机制,而是CeO2在结晶前沿产生富集,阻止晶粒长大,从而使晶粒细化。
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