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《哈尔滨工业大学》 2009年
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AlCrFeCoNiCu系多主元合金及其复合材料的组织与性能

王艳苹  
【摘要】:2004年首次公开发表的高熵合金概念引发了有关多主元合金的研究热潮。高熵合金指主要元素数目n≥5,且其中每种主要元素的原子百分比在5%~35%之间的合金。这一合金成分设计理念突破了以一种合金元素为基的传统合金设计模式,并且可以通过合金成分优化设计,使高熵合金具有高强度、高硬度、耐高温蠕变、耐高温氧化和耐腐蚀等优异性能。 本文研究了多主元合金的相形成规律以及显微组织与力学性能、物理性能的相关规律。在多主元合金相形成规律的研究基础上,本文借助等摩尔比、多主元这一新型合金设计思想,成功开发了多主元金属间化合物合金和多主元合金基原位自生复合材料。 迄今,多主元合金相组成并未得到明确研究,只是借助XRD结果将相组成粗略地标定为面心立方或体心立方固溶体。本文借助X射线衍射、高分辨扫描电镜能谱及高分辨透射电镜相结合的分析方法,确定了AlCrFeCoNiCu多主元合金的相组成则为NiAl金属间化合物相、(α-Fe, Cr)固溶体和富Cu相。NiAl金属间化合物与(α-Fe, Cr)固溶体相间排列、所以AlCrFeCoNiCu合金并不是文献所报道的BCC固溶体合金。以吉布斯自由能ΔG=ΔH ? TΔS为判据,经分析计算表明,AlCrFeCoNiCu多主元合金的无序固溶体在室温是不稳定的,生成NiAl金属间化合物的体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的竞争关系所决定的,当多主元合金的元素之间混合焓接近于零的体系,易于形成多主元固溶体结构。实验结果也证实了Cr、Fe、Co、Ni、Mn过渡族元素所组合的合金,可得到无序固溶体合金。当合金既有前过渡族元素又有后过渡族元素,还有主族金属元素时,混合熵的作用不足以克服化合物生成焓对体系吉布斯自由能的降低作用,多主元合金将会形成化合物。 CrFeCoNiCu的屈服强度为331MPa,而AlCrFeCoNiCu合金的屈服强度为1303MPa,这主要是由于纳米尺度NiAl与(α-Fe, Cr)两相调制结构的强化作用,而不是以往文献所认为的Al原子固溶强化作用。此外,AlCrFeCoNiCu多主元合金和CrFeCoNiCu多主元合金也表现出不同的磁性能:CrFeCoNiCu多主元合金为顺磁性,而AlCrFeCoNiCu多主元合金表现出半铁磁合金特性,AlCrFeCoNiCu多主元合金的饱和磁化强度约为40emu/g,矫顽力为28Oe。 本文还研究了过渡族元素Mn、Ti、V对于AlCrFeCoNiCu多主元合金显微组织和力学性能的影响规律。V单独加入到AlCrFeCoNiCu合金,合金仍为树枝晶,V可提升了合金的屈服强度、硬度和阻尼性能。共晶型元素Ti在多主元合金中仍呈现共晶类元素,合金的显微组织为两相胞状共晶。Ti可提高合金的硬度,但使合金的塑性下降。Mn单独加入,会使合金形成长条状的富Cr相,使合金的强度,硬度和塑性均下降。同时加入Mn、Ti、V的合金强度最高,其屈服强度和抗压强度分别达到1526MPa、2116MPa,压缩率为14.3%。同时AlCrFeCoNiCuMnTiV合金在应变为2×10-4时,其阻尼值已超过0.01,可视为阻尼合金。AlCrFeCoNiCuMnTiV合金的晶内组织为纳米尺度有序相无序相相间排列,即使具有高的混合熵的9主元合金,仍不能得到均相无序固溶体。 本文在AlCrFeCoNiCu合金的研究基础上,借助等摩尔比的多主元合金设计思想,开发了AlCrFeCoNi,AlCrFeNi两种复相金属间化合物。NiAlCrFe合金为NiAl/(α-Fe, Cr)共晶合金,其室温压缩屈服强度、压缩强度和压缩率分别为1180MPa、2162MPa和40%。AlCrFeCoNi合金的显微组织为在NiAl有序基体上,弥散分布着大量纳米(α-Fe, Cr)相。其屈服强度、压缩强度和压缩率分别为1250 MPa,2004 MPa和33%。与AlCrFeCoNiCu合金、普通NiAl合金相比,上述两种合金具有优异的综合力学性能。 为了进一步提高多主元合金的力学性能,本文采用“高温自蔓延+熔铸”的工艺,成功制备了原位TiC自生陶瓷颗粒增强多主元合金基复合材料。在AlCrFeCoNiCu-10vol.%TiC复合材料中,TiC成树枝状均匀地分布在合金基体上,尺寸约为几十个微米。复合材料的硬度为552HV,比基体合金提高了10%。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TG146.21;TB331

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【引证文献】
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【参考文献】
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