CoCrFeNi(Ni3Ti/Ni3Al)x高熵合金的组织与性能研究

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多主元高熵合金冲破了传统合金以一种或两种元素为主的设计理念,是一种以多种元素为主元的新型合金。其拥有优异的物理、化学及力学性能,如高强度和硬度、高耐磨性、高耐腐蚀性等等,具有潜在的广阔工业应用前景和重要的理论研究价值。本文选择了韧性较好的CoCrFeNi高熵合金作为基体,Ni3Ti和Ni3Al分别作为强化相来强化韧性基体。采用OM、XRD、SEM、EDS、拉伸和压缩以及硬度测试来表征CoCrFeNi(Ni3Ti)x和CoCrFeNi(Ni3Al)x(x=0.5、0.75、1、1.25)高熵合金的微观组织和力学性能,分析了强化相的种类、强化相的量以及热处理对高熵合金的组织与性能的影响,主要结论如下:(1)Ni3Ti在铸态下就能以板条状的形式从基体中大量析出,而Ni3Al在铸态时未析出,在经过时效处理之后能够以纳米颗粒的形式从基体中析出,两种强化相均能够有效提高CoCrFeNi基体强度。(2)CoCrFeNi(Ni3Ti)x(x=0.5、0.75、1、1.25)高熵合金在铸态时为枝晶状组织,Ni3Ti在铸态时就能够大量地从基体中析出,四种合金均由FCC+Ni3Ti两相组成,Ni3Ti相中固溶了一定量的Co元素。当Ni3Ti添加较少时,Ni3Ti相主要在枝晶间析出,继续增加Ni3Ti的量之后,在枝晶上大量析出了Ni3Ti相。随着Ni3Ti的增多,合金的拉伸强度明显提升,当Ni3Ti添加的量与基体的摩尔比达到0.75∶1时,合金的抗拉强度最高,与CoCrFeNi基体的抗拉强度相比提高了1.5倍达到了1057MPa,延伸率为2%。继续增加Ni3Ti之后,抗拉强度反而降低。分析表明,由于Ni、Co两元素与Ti的混合焓最负,彼此拥有极强的交互作用,因此Ni3Ti能够在铸态下析出,并且在Ni3Ti中固溶一定量的Co元素。(3)CoCrFeNi(Ni3Ti)x(x=0.5、0.75、1、1.25)高熵合金在经过1000℃固溶处理3h之后,相的组成没有发生变化,依旧由FCC+Ni3Ti两相组成。固溶处理后合金的塑性明显改善,其中,CoCrFeNi(Ni3Ti)0.75的抗拉强度仍然最高,为801MPa,延伸率从2%提高到了5%。(4)CoCrFeNi(Ni3Al)x(x=0.5、0.75、1、1.25)高熵合金在铸态下为简单的树枝晶结构,枝晶和枝晶间成分差异较小。铸态下的四种合金都是单一的FCC结构固溶体未发现Ni3Al型L12相析出,合金的强度和硬度随着Ni3Al的增加而提高。CoCrFeNi(Ni3Al)1.25拥有最高的抗拉强度,达到了867MPa,维氏硬度为254HV并且仍有21%的延伸率。(5)在经过780℃时效处理4h之后,CoCrFeNi(Ni3Al)x高熵合金析出了大量的纳米级的固溶了一定Co、Cr、Fe元素的L12相颗粒,颗粒尺寸在40nm-50nm之间。Ni3Al含量较低时,L12相主要沿着枝晶间析出,随着Ni3Al的量继续增多,整个枝晶上开始大量析出L12相颗粒。在适当的成分下,L12相的析出能够有效地提高的材料的强度,并且随着析出相的增多,合金的强度逐渐增加,CoCrFeNi(Ni3Al)1拥有最高的抗拉强度,强度达到了828MPa,延伸率为22%。Ni3Al继续增加之后,析出相的强化效果开始下降。Ni3Al在铸态下没有析出是因为Al元素和Co、Cr、Fe、Ni四种元素之间的混合焓相差较小,合金由于高熵效应形成了单相的FCC结构固溶体,在时效后Al和Ni由于混合焓最负优先结合形成Ni3Al型L12相析出,析出的L12相中也固溶了一定量的Co、Cr、Fe元素。
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