高熵合金的制备及其组织和力学性能的研究

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高熵合金是由5~13种元素按照等摩尔比或接近等摩尔比设计的新型合金。近年来高熵合金引起了材料领域的广泛关注。高熵合金由于具有优异的力学性能、摩擦磨损性能、耐腐蚀性、耐高温等性能,成为未来最有发展潜力的新型结构材料之一。但高熵合金还处于实验研究阶段,理论体系不够完善。本文制备了AlFeCoNiCrCuVx,Cu0.5FeAlNiCrMox,CuFeAlNiCrMn(M)0.5(M=V,Ti,Mo)系列高熵合金和FeCoNiCuVZrAl高熵合金薄膜。对合金及薄膜的组织和力学性能进行分析测试,研究合金元素对高熵合金及薄膜组织和力学性能的影响。得到了以下研究结果:(1) AlFeCoNiCrCuVx高熵合金:AlFeCoNiCrCuVx合金组织由FCC+BCC固溶体组成。合金组织为典型的树枝晶体结构。随着V的加入合金组织细化,合金硬度和强度逐渐增加,塑性降低。AlFeCoNiCrCuV1.0合金具有最高硬度和强度,分别为532HV和1707MPa。(2) Cu0.5FeAlNiCrMox高熵合金:Cu0.5FeAlNiCrMo0合金组织由单一BCC固溶体组成,Cu0.5FeAlNiCrMo0.5和Cu0.5FeAlNiCrMo1.0合金组织由BCC+有序BCC固溶体组成。合金的组织为典型的树枝晶体结构。由于Mo原子半径较大,随着Mo元素加入,两种BCC结构的晶格常数逐渐变大。Mo的加入使合金的组织明显细化,合金的强度、硬度和塑性均得到了改善。Cu0.5FeAlNiCrMo1.0合金的硬度最高,为823HV。Cu0.5FeAlNiCrMo0.5合金性能最好,硬度为717HV,抗压强度为2153Mpa,应变值为7%。(3) CuAlFeNiCrMn(M)0.5高熵合金:CuAlFeNiCrMn合金组织由BCC+有序BCC固溶体组成;CuAlFeNiCrMnV0.5合金组织为BCC+FCC固溶体;CuAlFeNiCrMnTi0.5合金组织为FCC+BCC+有序BCC固溶体;CuAlFeNiCrMnMo0.5合金组织为单一的有序BCC固溶体。合金元素的加入使得合金硬度和强度增加,但V对强度并没有增强作用,这是由于CuAlFeNiCrMnV0.5合金的晶粒粗大。综合性能最好的为CuAlFeNiCrMnMo0.5高熵合金,硬度为628HV,抗压强度为1800Mpa,应变值为4.7%,这是由于Mo元素的加入使合金的组织细化,加之较大的晶格畸变和固溶强化作用造成的。(4) FeCoNiCuVZrAl高熵合金薄膜:在不同的N2浓度下的薄膜组织皆为非晶结构。N2浓度为30%时,得到平整、致密的氮化膜,其硬度和杨氏模量也达到了最大值,分别为12和166GPa。总之,本文通过对三个系列高熵合金及合金薄膜的制备与研究,分析了合金元素对高熵合金及薄膜的显微组织和力学性能的影响,为高熵合金的研究和应用起到一定的作用。
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