L12/B2型高熵金属间化合物的显微组织及力学性能研究

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高熵金属间化合物是将高熵合金多主元设计思路运用到金属间化合物中,形成的一类新型金属间化合物。本论文对已有L12/B2型高熵金属间化合物模型合金的相关参数进行了理论计算,并分析了表征参数之间的相互规律;并对五种高熵金属间化合物合金的铸态及退火态组织与性能进行了研究;同时研究了热处理对合金微观组织的影响。本文对已有27种高熵金属间化合物模型合金的原子半径差(δ)、混合焓、价电子浓度、组态熵等参数进行计算分析,得到HEI相关表征参量之间的相互关系。价电子浓度(VEC)>7.6时合金晶体结构为体心立方FCC/L12结构,VEC<7.6时合金晶体结构为面心立方BCC/B2结构。不同类型HEI合金的VEC值、电负性和组态熵存在差异,HEI-II型合金的VEC值、电负性要高于HEI-III型合金,但组态熵低于HEI-III型合金。合金中Si含量对Ω-δ和自由能?G-δ的分布有一定影响。同时注意到,对于含有Si的高熵金属间化合物,其?G与δ间可能存在负相关关系。根据理论计算结果,优选出了五种典型成分,并命名为HEI1、HEI2、HEI3、HEI4和HEI5合金,利用感应熔炼制备了合金铸锭。本文研究了高熵金属间化合物的铸态组织结构及性能。HEI1与HEI3属于B2型高熵金属间化合物。HEI2、HEI4和HEI5属于L12型高熵金属间化合物。HEI1合金由BCC/B2结构的基体与FCC/L12结构的析出相组成。HEI3合金由B2结构基体相和密排六方结构的ε-Co固溶体组成。HEI2、HEI4和HEI5合金由FCC/L12基体相和析出相(G相)组成。五种合金压缩屈服强度整体呈现B2结构>L12结构的规律。合金拉伸测试表明,室温下L12结构合金塑性略优于B2结构合金(HEI1和HEI3)。但在850℃下B2结构合金塑性提升显著,L12结构合金塑性无明显变化。HEI1和HEI3合金韧脆转变温度在750℃-850℃区间。五种合金中,HEI5合金强度较高,在750℃表现出中温脆性。均匀化退火后,HEI1合金、HEI3和HEI5合金中析出相变化明显。退火态合金压缩屈服强度整体呈现B2结构合金>L12结构合金。合金拉伸测试表明,HEI1合金室温表现出明显的解理断裂特征。HEI1合金退火后室温抗拉强度极大提升,达到657MPa;韧脆转变温度降低到750℃以下。HEI3合金在室温与750℃时均表现出脆性特征,在850℃时,其塑性显著增加。HEI5合金室温屈服强度为434MPa,抗拉强度为705MPa,伸长率约为1.5%;在750℃时表现出中温脆性,伸长率为0%;在850℃时,合金伸长率提高至3%。最后本文研究了热处理对HEI5合金显微组织的影响。使用DSC测得HEI5合金中L12有序相开始溶解温度为1034℃。合金的初始熔化温度为1188.7℃。水冷淬火表明在1150℃和1175℃,H合金由为富Al相、G相、基体相以及网链状析出相组成。对合金进行1150℃、1175℃和1200℃固溶处理后发现,随着固溶温度的升高或固溶时间的增加,富Al共晶析出相逐渐球化,尺寸逐渐增大。1200℃时,晶界处低熔点相发生初熔,基体中弥散分布的网链状析出相消失。对经1175℃/2h/WC固溶处理过后的HEI5进行900℃时效处理,时效时间分别为4h、8h、16h和24h,发现L12有序相尺寸与时效时间之间近似存在线性关系,同时两者也符合Ostwald规律,L12有序相体积分数整体趋势增加。时效处理后的HEI5合金性能变化不大。
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