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高熵固溶体合金的相组成和力学性能研究

赵红艳  
【摘要】:高熵合金是由多种合金主元(n≥5)以等摩尔或近等摩尔比混合而成,由于高熵效应,合金凝固后易于形成固溶体相而不是金属间化合物。本征上的特殊晶体结构使得合金的热力学稳定性高,在高温强度、耐腐蚀、耐磨性和抗氧化性等方面具有较大的发展潜力。所以固溶体相是高熵合金在室温下期望较高的微观结构。那么,关于高熵合金的相组成和力学性能是需要研究的主要问题,所以本文主要进行以下几个方面的研究:第一,根据合金主元的高温晶体结构以及固溶体结构相似原理,将主元元素分为BCC相形成元素和FCC相形成元素。基于热力学基本原理,固溶体形成过程是BCC相和FCC相的相稳定性的竞争过程,具有较低自由能的相易于形成并且更稳定。因此,提出了热力学参数刁为BCC(α)相的混合自由能与BCC和FCC(α+β)的双相混合自由能相的比值,即,η=△Gamix/△Ga+βmix。结果表明,当,η≤0.50时,合金易于形成FCC单相固溶体;当η≥0.64时,合金为BCC单相固溶体;当η介于两个临界值之间时,一般会形成BCC和FCC的双相固溶体。并且采用热力学参数77来判断合金的相稳定性适用于大部分高熵固溶体合金,对高熵合金的设计和力学性能的控制具有重要指导意义。第二,当合金中同时存在元素A1和Ni时,一般会形成B2结构,为了明确B2有序相的形成机理,采用元素Co替代Ni探究了B2结构的形成原因以及合金微观组织和性能的变化。结果表明,高熵合金NiCrFeCuAlx(x=0.5,1.0,1.5,2.0)和CoCrFeCuAlx (x=0.5,1.0,1.5,2.0)凝固后均形成由BCC相或/与FCC相组成的简单固溶体结构,BCC相位于枝干上,FCC相则分布在树枝晶间。随Al含量的增加,合金均由BCC和FCC的双相固溶体结构转变为BCC单相固溶体结构,这也说明A1为BCC相形成元素。值得说明的是,两种合金中均出现了B2超结构,主要是因为元素A1与Co之间的混合焓比较大与Al-Ni相近,在固溶体形成过程中形成了AlCo或AlNi超结构,形成了B2有序相和B1无序相构成的BCC相调幅结构,显著提高了合金的强度。第三,基于Cr-Ni二元相,以Cr为BCC相基元,Ni为FCC相基元,设计了Cr0.56Ni0.44型高熵固溶体合金CoCrFeNiAl0.86,并与CoCrFeNiAl合金进行对比研究。结果表明,合金CoCrFeNiAl0.86形成了由BCC相和FCC相组成的等轴晶固溶体结构。但是相成分的分布却不均匀,一些晶胞内为BCC相和FCC相的共晶组织,一些则为B2有序相和B1无序相构成的BCC相调幅结构。FCC相的存在以及微观结构的不均匀性使得合金的强度明显低于CoCrFeNiAl合金。然而,由于相成分分布比较均匀,具有BCC相的CoCrFeNiAl合金的塑性并没有出现明显的降低。


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