粉末冶金法制备FeCoNiCrMn高熵合金及其强化研究

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相较传统合金材料而言,高熵合金由于其高强、高硬等一系列优点,近年来引起了人们的广泛关注。其中,经典的FeCoNiCrMn高熵合金是该领域中一个重要的研究方向,但其力学性能还可进一步提高。本文采用粉末冶金法制备FeCoNiCrMn高熵合金,并通过碳纳米管(CNTs)的添加制备CNTs/FeCoNiCrMn复合材料,研究其制备工艺,探讨其强化机理。研究内容如下:本文采用粉末冶金法制备等原子比FeCoNiCrMn高熵合金,研究了在不同的球磨工艺条件下的合金化效果以及高熵合金的组织结构与力学性能的演变规律。在兼顾粉末合金化效率和粉体出粉效率的情况下,以正庚烷作为过程控制剂,采用300 r/min和400 r/min的球磨转速,分别球磨90 h和40 h可以成功制备出面心立方结构(FCC)的单相固溶体FeCoNiCrMn高熵合金粉体。通过1000℃和15 min的放电等离子烧结(SPS),可以获得高致密的块体FeCoNiCrMn高熵合金。两种球磨速度制备的FeCoNiCrMn高熵合金具有相似的组织和力学性能,但400 r/min的球磨转速可以更高效的制备出高熵合金粉体,故以正庚烷作为过程控制剂时,400 r/min球磨40 h是一种相对较合适的球磨工艺。块体高熵合金的组织由弥散分布的含Cr、Mn元素的纳米析出相、通过正庚烷引入的C元素与Cr元素反应生成的Cr23C6化合物以及FeCoNiCrMn高熵合金基体组成。合金的压缩屈服强度和抗压强度分别达到1121 MPa和2030 MPa,同时其压缩应变能达到38.2%,断裂方式为准解理型断裂。为进一步提高FeCoNiCrMn高熵合金的力学性能,本文以上述工艺制备的合金粉体为基础,采用粉末冶金工艺制备CNTs/FeCoNiCrMn复合材料,研究了CNTs添加了对复合材料组织结构和力学性能的影响。随着CNTs含量的增加,复合材料中出现更多的CNTs团聚体,且其中的CNTs结构损坏程度和碳化物含量均呈现出一个先增大后减小的趋势。由于CNTs的团聚及碳化物数量的上升,复合材料的致密度,随CNTs的增加而下降。材料的压缩力学性能随着CNTs含量的上升逐渐下降,当CNTs含量为0.2 wt.%时,其抗压强度和屈服强度分别达到2264 MPa和1442 Mpa,压缩应变为41.6%,表现出最佳的综合力学性能,优于单纯的FeCoNiCrMn高熵合金。复合材料的断裂方式由准解理断裂逐渐向微孔聚集型断裂转变,压缩断口的韧窝数量有明显的上升;当CNTs含量达到1.2 wt.%时,复合材料的断裂方式完全转变为微孔聚集型断裂,但由于其孔隙较多和致密度较低导致材料的塑性有所下降。
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