真空热压烧结制备CoCrFeMnNi高熵合金和性能强化研究

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高熵合金(High-entropy alloys,HEAs)是近些年发展起来的新型合金,通常由5种或5种以上近似等摩尔比的主要元素组成。高熵合金易于形成简单的面心立方(Face-center cubic,FCC)、体心立方(Body-centered cubic,BCC)以及密排六方(Hexagonal closepacked structure,HCP)结构固溶体。由于其优异的性能,如高延展性、高强度、良好的耐磨性、优异的耐蚀性和高温稳定性,已成为热点材料之一。本文以CoCrFeMnNi高熵合金为研究对象,通过气雾化一步法制备了CoCrFeMnNi高熵合金粉体,然后利用真空热压烧结(VHPS)制备了CoCrFeMnNi、Al粉和TiC增强的CoCrFeMnNi高熵合金块体材料。借助于X射线衍射(X-Ray Diffraction,XRD)、扫描电子显微镜/能谱仪(Scanning electron microscope,SEM)、电感耦合原子发射光谱(Inductive couple plasma atomic emission spectroscope,ICP)对微观结构和化学成分进行了表征;通过显微维氏硬度计对试样的维氏硬度进行了测试;通过电化学工作站测试了试样的塔菲尔曲线和电化学阻抗谱,对其耐腐蚀性进行了研究。本研究首先采用气雾化一步法制备了类球形的CoCrFeMnNi高熵合金粉体,该粉体具有FCC单相结构,各元素在整个粉体表面及截面分布均匀,平均粒径约为34μm。然后采用VHPS法成功地制备了CoCrFeMnNi高熵合金块体,研究了烧结温度对组织结构和性能的影响。微观结构和化学成分分析表明,CoCrFeMnNi高熵合金块体主要由FCC相组成,同时含有少量的析出相,其中Co、Fe、Mn、Ni主要分布在FCC相中,Cr主要分布在析出相中,且各元素在两相中分布均匀;随着烧结温度由900℃增加到1100℃,析出相尺寸变小、分布更均匀、组织结构更致密。硬度测试结果表明,随着烧结温度的提高,硬度由900℃的151.4 HV增大到248.4 HV。电化学测试表明,随着烧结温度的提高,在1100℃下烧结的CoCrFeMnNi高熵合金块体在3.5%Na Cl溶液、0.05 mol/L HCl溶液和0.5 mol/L H2SO4都具有最小的腐蚀电流,分别为2.256×10-6A/cm2、4.180×10-6A/cm2和2.836×10-5A/cm2。接着,制备了不同Al粉含量的CoCrFeMnNi高熵合金块体,研究了Al含量对CoCrFeMnNi高熵合金的微结构调控和性能的强化。微观结构和化学成分分析表明,不同Al含量的CoCrFeMnNi高熵合金的晶体结构由FCC和BCC双相组成,Cr、Mn和Al主要集中在BCC相区,Co、Fe和Ni主要集中在FCC相区,且各元素在两相中分布均;随着Al含量的增加,BCC相含量增加。硬度测试结果表明,随着Al含量的增加,硬度先增大后减小,当Al含量为5wt.%时硬度最大,达到508.3 HV,随后Al含量增加到7wt.%时硬度降低为396.0 HV。电化学测试表明,5wt.%Al含量的CoCrFeMnNi高熵合金块体在3.5%Na Cl溶液、0.05mol/L HCl溶液和0.5 mol/L H2SO4溶液中都具有最小的腐蚀电流,分别为2.878×10-7A/cm2、2.633×10-6A/cm2和2.476×10-6A/cm2。最后制备了不同TiC含量的Al0.55CoCrFeMnNi高熵合金,研究了TiC对Al0.55CoCrFeMnNi高熵合金的微结构调控和性能强化。微观结构和化学成分分析表明不同TiC含量的Al0.55CoCrFeMnNi高熵合金的晶体结构由FCC、BCC和TiC相组成;含两种粒径TiC的Al0.55CoCrFeMnNi高熵合金中各元素除Ti之外在两相中是分布均匀的,Cr和Mn主要集中在BCC相区,Co、Fe、Ni和Al主要集中在FCC相区域,含TiC(0.8μm)的Al0.55CoCrFeMnNi高熵合金中Ti的攒聚比较严重,含TiC(3μm)的Al0.55CoCrFeMnNi高熵合金组织分布更加均匀。硬度测试表明,含TiC(3μm)的Al0.55CoCrFeMnNi高熵合金硬度较高,随着TiC含量的增加,硬度先增大后减小,当TiC含量为5wt.%时硬度最大,达到622.5 HV,随后TiC含量增加到7wt.%时硬度降低为591.3 HV。电化学测试表明,含5wt.%TiC(3μm)的Al0.55CoCrFeMnNi高熵合金在3.5%Na Cl溶液、0.05 mol/L HCl溶液和0.5 mol/L H2SO4溶液中都具有最小的腐蚀电流,分别为1.565×10-7A/cm2、1.642×10-6A/cm2和1.876×10-6A/cm2
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