AlCrFeCoNiCu系多主元合金及其復(fù)合材料的組織與性能.pdf

1、2004年首次公開(kāi)發(fā)表的高熵合金概念引發(fā)了有關(guān)多主元合金的研究熱潮。高熵合金指主要元素?cái)?shù)目n≥5，且其中每種主要元素的原子百分比在5％~35%之間的合金。這一合金成分設(shè)計(jì)理念突破了以一種合金元素為基的傳統(tǒng)合金設(shè)計(jì)模式，并且可以通過(guò)合金成分優(yōu)化設(shè)計(jì)，使高熵合金具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫蠕變、耐高溫氧化和耐腐蝕等優(yōu)異性能。
　　本文研究了多主元合金的相形成規(guī)律以及顯微組織與力學(xué)性能、物理性能的相關(guān)規(guī)律。在多主元合金相形成規(guī)律的研究基礎(chǔ)

2、上，本文借助等摩爾比、多主元這一新型合金設(shè)計(jì)思想，成功開(kāi)發(fā)了多主元金屬間化合物合金和多主元合金基原位自生復(fù)合材料。
　　迄今，多主元合金相組成并未得到明確研究，只是借助XRD結(jié)果將相組成粗略地標(biāo)定為面心立方或體心立方固溶體。本文借助X射線衍射、高分辨掃描電鏡能譜及高分辨透射電鏡相結(jié)合的分析方法，確定了AlCrFeCoNiCu多主元合金的相組成則為NiAl金屬間化合物相、(α-Fe,Cr)固溶體和富Cu相。NiAl金屬間化合物與(α

3、-Fe,Cr)固溶體相間排列、所以AlCrFeCoNiCu合金并不是文獻(xiàn)所報(bào)道的BCC固溶體合金。以吉布斯自由能ΔG=ΔH-TΔS為判據(jù)，經(jīng)分析計(jì)算表明，AlCrFeCoNiCu多主元合金的無(wú)序固溶體在室溫是不穩(wěn)定的，生成NiAl金屬間化合物的體系具有更低的吉布斯自由能。多主元合金是否生成化合物，是ΔH和ΔS的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系所決定的，當(dāng)多主元合金的元素之間混合焓接近于零的體系，易于形成多主元固溶體結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了Cr、Fe、Co、Ni、

4、Mn過(guò)渡族元素所組合的合金，可得到無(wú)序固溶體合金。當(dāng)合金既有前過(guò)渡族元素又有后過(guò)渡族元素，還有主族金屬元素時(shí)，混合熵的作用不足以克服化合物生成焓對(duì)體系吉布斯自由能的降低作用，多主元合金將會(huì)形成化合物。
　　CrFeCoNiCu的屈服強(qiáng)度為331MPa，而AlCrFeCoNiCu合金的屈服強(qiáng)度為1303MPa，這主要是由于納米尺度NiAl與(α-Fe,Cr)兩相調(diào)制結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化作用，而不是以往文獻(xiàn)所認(rèn)為的Al原子固溶強(qiáng)化作用。此外，A

5、lCrFeCoNiCu多主元合金和CrFeCoNiCu多主元合金也表現(xiàn)出不同的磁性能：CrFeCoNiCu多主元合金為順磁性，而AlCrFeCoNiCu多主元合金表現(xiàn)出半鐵磁合金特性，AlCrFeCoNiCu多主元合金的飽和磁化強(qiáng)度約為40emu/g，矯頑力為28Oe。
　　本文還研究了過(guò)渡族元素Mn、Ti、V對(duì)于AlCrFeCoNiCu多主元合金顯微組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律。V單獨(dú)加入到AlCrFeCoNiCu合金，合金仍為樹(shù)枝

6、晶，V可提升了合金的屈服強(qiáng)度、硬度和阻尼性能。共晶型元素Ti在多主元合金中仍呈現(xiàn)共晶類元素，合金的顯微組織為兩相胞狀共晶。Ti可提高合金的硬度，但使合金的塑性下降。Mn單獨(dú)加入，會(huì)使合金形成長(zhǎng)條狀的富Cr相，使合金的強(qiáng)度，硬度和塑性均下降。同時(shí)加入Mn、Ti、V的合金強(qiáng)度最高，其屈服強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到1526MPa、2116MPa，壓縮率為14.3%。同時(shí)AlCrFeCoNiCuMnTiV合金在應(yīng)變?yōu)?×10-4時(shí)，其阻尼值已超過(guò)0

7、.01，可視為阻尼合金。AlCrFeCoNiCuMnTiV合金的晶內(nèi)組織為納米尺度有序相無(wú)序相相間排列，即使具有高的混合熵的9主元合金，仍不能得到均相無(wú)序固溶體。
　　本文在AlCrFeCoNiCu合金的研究基礎(chǔ)上，借助等摩爾比的多主元合金設(shè)計(jì)思想，開(kāi)發(fā)了AlCrFeCoNi，AlCrFeNi兩種復(fù)相金屬間化合物。NiAlCrFe合金為NiAl/(α-Fe,Cr)共晶合金，其室溫壓縮屈服強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度和壓縮率分別為1180MPa、

8、2162MPa和40%。AlCrFeCoNi合金的顯微組織為在NiAl有序基體上，彌散分布著大量納米(α-Fe,Cr)相。其屈服強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度和壓縮率分別為1250MPa，2004MPa和33%。與AlCrFeCoNiCu合金、普通NiAl合金相比，上述兩種合金具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。
　　為了進(jìn)一步提高多主元合金的力學(xué)性能，本文采用“高溫自蔓延+熔鑄”的工藝，成功制備了原位TiC自生陶瓷顆粒增強(qiáng)多主元合金基復(fù)合材料。在AlCrF