AlxCoCrCuFeNi系高熵合金及其復(fù)合材料的制備、微結(jié)構(gòu)與性能研究.pdf

1、多主元高熵合金（簡(jiǎn)稱(chēng)高熵合金）是近新興的合金材料，它打破了傳統(tǒng)合金中主要組成元素為一種或兩種的合金設(shè)計(jì)理念。多主元高熵合金是由至少五種以上的主要元素構(gòu)成，而且每種元素原子百分比不超過(guò)35％。合金主元增多產(chǎn)生的高熵效應(yīng)，使晶體易于形成簡(jiǎn)單體心或簡(jiǎn)單面心結(jié)構(gòu)，并可能伴有晶間化合物以及納米晶，從而達(dá)到固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化效果。通過(guò)合金成分優(yōu)化設(shè)計(jì)可以使高熵合金在性能上比傳統(tǒng)合金具有更大的優(yōu)勢(shì)，例如高硬度、高強(qiáng)度、耐高溫氧化、耐腐蝕等。

2、
　　本文利用真空電磁感應(yīng)熔煉合成了AlxCoCrCuFeNi(x=0.5，1.0，1.5)（簡(jiǎn)記為Alx）六主元高熵合金，同時(shí)，為進(jìn)一步提高多主元高熵合金的綜合性能，我們通過(guò)原位自生合成反應(yīng)制備了TiC顆粒增強(qiáng)Al0.5高熵合金基(Al0.5CoCrCuFeNi-y vol.％ TiC(y=5，10，15)，簡(jiǎn)記為Al0.5-TiCy)復(fù)合材料，并對(duì)以上材料進(jìn)行了不同溫度的高溫時(shí)效熱處理;利用X射線(xiàn)衍射、高分辨率掃描電鏡、高分辨

3、率透射電鏡、MTS力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)及顯微硬度計(jì)結(jié)合，對(duì)微觀組織、力學(xué)性能進(jìn)行了分析討論。此外，對(duì)高熵合金潛在應(yīng)用于高溫環(huán)境的特點(diǎn)，本文亦對(duì)六主元Alx(x=0.5，1.0，1.5)高熵合金及Al0.5-TiCy(y=5，10，15)復(fù)合材料的高溫氧化行為進(jìn)行了討論。
　　研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于Al0.5CoCrCuFeNi高熵合金，自然冷卻（緩冷）形成的樹(shù)枝晶結(jié)構(gòu)由簡(jiǎn)單面心立方固溶體組成，而澆鑄（快速冷卻）形成的等軸晶結(jié)構(gòu)中生成了少量體心立方

4、結(jié)構(gòu)相。經(jīng)600℃、24h退火熱處理后，樹(shù)枝晶結(jié)構(gòu)Al0.5高熵合金中有少量體心立方結(jié)構(gòu)相生成。同時(shí)大量針狀富Cu納米相在枝晶間區(qū)域析出，退火后壓縮屈服強(qiáng)度由487MPa增至600MPa。等軸晶結(jié)構(gòu)的Al0.5高熵合金的退火前后組織結(jié)構(gòu)無(wú)顯著變化，鑄態(tài)屈服強(qiáng)度相比樹(shù)枝晶大幅提高了11.9％。
　　不同Al元素含量等軸晶結(jié)構(gòu)AlxCoCrCuFeNi六主元高熵合金研究結(jié)果顯示，Al含量均勻分布于基體及晶間區(qū)域，對(duì)合金中元素分布無(wú)顯著

5、影響，Co、Cr、Fe、Ni元素主要分布于基體中，而Cu元素偏聚于晶間區(qū)域。然而由于原子尺寸效應(yīng)，合金中固溶體晶體結(jié)構(gòu)隨著Al含量的增加發(fā)生晶格畸變，基體主晶相由面心立方結(jié)構(gòu)變?yōu)轶w心立方結(jié)構(gòu)，且構(gòu)成基體的BCC相發(fā)生調(diào)幅分解。當(dāng)Al元素摩爾比由0.5增加至1.0時(shí)，合金基體內(nèi)伴隨有大量板條狀和球形富Cu納米相析出，致使Alx高熵合金獲得優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，其斷裂強(qiáng)度高達(dá)1739.3MPa，同時(shí)壓縮率高約12.1％。Al含量繼續(xù)增加，合金

6、硬度和強(qiáng)度得以進(jìn)一步提高，但其塑性下降較明顯，斷裂形式由韌性斷裂變?yōu)闇?zhǔn)解理斷裂。結(jié)合多種經(jīng)典強(qiáng)化理論與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合分析發(fā)現(xiàn)，Alx高熵合金的主要強(qiáng)化方式為固溶強(qiáng)化與沉淀析出強(qiáng)化。
　　實(shí)驗(yàn)所制Al0.5-TiCy(y=5，10，15)復(fù)合材料基體為樹(shù)枝晶，TiC顆粒均勻分布其中。隨著TiC增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)的增加，TiC陶瓷顆粒尺寸由Al0.5-TiC5的200 nm長(zhǎng)大至Al0.5-TiC15的3um。Al0.5-TiCy(y=5，

7、10，15)復(fù)合材料室溫壓縮屈服強(qiáng)度分別為740MPa、709MPa及680MPa。原位自生TiC顆粒增強(qiáng)Al0.5高熵合金基復(fù)合材料的力學(xué)性能較之基體有很大提高，以Al0.5-TiC5為例，其室溫壓縮屈服強(qiáng)度相對(duì)于Al0.5高熵合金基體提高近50％。
　　Alx(x=0.5，1.0，1.5)高熵合金及Al0.5-TiCy(y=5，10，15)復(fù)合材料的高溫氧化試驗(yàn)分別在850、950、1050℃與950℃下大氣環(huán)境中進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)

8、果表明，Al0.5高熵合金在850、950℃氧化動(dòng)力學(xué)相同，均符合拋物線(xiàn)規(guī)律，但當(dāng)溫度升至1050℃時(shí)，其氧化動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)基本呈線(xiàn)性，氧化層開(kāi)裂和剝落嚴(yán)重，導(dǎo)致出現(xiàn)嚴(yán)重的內(nèi)氧化。與此不同的是，高Al含量的Al1.0CoCrCuFeNi和Al1.5CoCrCuFeNi合金在以上三個(gè)溫度下的長(zhǎng)時(shí)氧化行為均符合拋物線(xiàn)規(guī)律，，且氧化程度相對(duì)較輕。原因在于Al含量增加致使大量Al2O3致密氧化膜生成從而提高了合金的高溫抗氧化性能。相比Al0.5高熵