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Al-Cr-Fe-Ni-M系多相高熵合金微观组织与力学性能的基础研究

董勇  
【摘要】:多主元高熵合金打破了传统合金以一种或两种元素为主的设计理念,而是采用多种主元的一类新兴合金。由多种主元组成的高熵合金具有高熵效应、晶格畸变效应、迟缓扩散效应和鸡尾酒效应等一系列特性,使其可拥有优异的物理、化学及力学性能,如高强度、高硬度、高耐磨性、高耐腐蚀性、高的低温韧性等,因而具有潜在的广阔工业应用前景和重要的理论研究价值。本文以Al-Cr-Fe-Ni-M (M为Co、Mo、V、W)合金系为研究对象,通过各种组织分析方法,系统地研究了不同元素对Al-Cr-Fe-Ni-M合金系组织演化的影响规律,并探讨了不同相组成对合金力学性能的影响机制。基于d轨道能级参数,建立了可成功预测高熵合金中拓扑密排相(TCP)的稳定性模型,并结合多相固溶体高熵合金形成规律,设计并制备出了压缩强度大于3GPa及目前铸态拉伸屈服强度、断裂强度最高的高强高塑多主元高熵合金,本文主要结论如下:1)基于原子半径差异(ΔR)、混合焓(ΔH)、电子浓度(VEC)和电负性差异(Δχ)预测参数模型,系统地研究了多相固溶体高熵合金的形成规律。研究发现,含有多相FCC固溶体的高熵合金应满足:AR≤4.9%, -5.9 kJ·mol-1≤AH≤3.2 kJ·mol-1, VEC≥8.2,△χPauling ≤12.2%, △χAIlen≤10.6%;含有多相FCC、BCC混合固溶体的高熵合金应满足:4.7%≤ △R≤6.2%, -13.1kJ·mol-1≤△H≤-2.7kJ·mol-1, 7.1≤VEC≤8.2,△χpauling≤14.6%,△χAllen≤16%;含有多相BCC固溶体高熵合金应满足:△R≤7.1%, -22.8 kJ·mol-1≤△H≤0.3 kJ·mol-1, VEC≤7.5, △χAllen≤16.6%。2)建立了适用于高熵合金的d轨道能级模型,成功地实现了对高熵合金中拓扑密排(TCP)相的预测。研究发现在以Co、Fe、Ni为主要元素并形成TCP相的高熵合金体系中,若基体具有FCC结构,则当(?)大于0.9时,易于形成TCP相;若基体为BCC结构,则当(?)大于1.09时,倾向形成TCP相。3)在AlCrFeNiMox合金系中,AlCrFeNiMo0.2合金为富FeCr的BCC固溶体相与富NiAl的B2金属间化合物相的双相层片状共晶合金。Mo元素的固溶强化、第二相的析出及超细的共晶组织使AlCrFeNiMo0.2合金展现出优异的力学性能,其压缩屈服强度(σy)高达1487.4MPa,断裂强度(σb)高达3222MPa,塑性应变率(εp)28.7%。4)V元素改性AlCoCrFeNi后的高熵合金,BCC相与B2有序相的组合形态发生变化,编织状调幅组织逐渐消失,BCC相以颗粒形态弥散地分布在B2相的基体上。随着V元素在AlCoCrFeNiVx合金中含量的增加,由于固溶强化作用,合金的硬度与屈服强度逐渐升高。其中,AlCoCrFeNiV0.2合金表现出最优异的力学性能,其压缩屈服强度、断裂强度和塑性应变量分别高达1492.4MPa、3297.8MPa和26.8%,是目前报道的常温下压缩强度最高的几个高熵合金之一。5) AlCoCrFeNi2Wx合金系由初生BCC相+共晶FCC/BCC相组成。W元素的添加将增加初生BCC相的体积分数,并改变BCC相中FCC11相的析出形态。FCC/BCC的共晶复合强化效应、FCCIl相的析出及多元素间的固溶强化作用使AlCoCrFeNi2合金具有优异的静态拉伸性能,工程断裂强度和延伸率分别为853MPa和15.3%,并表现出了良好的铸造流动性。6)在高熵合金设计理论的指导下,采用相近化学元素替代的方法,设计出具有超细的面条状FCC相、连续的网状B2相和颗粒状的BCC相组成的AlCrFe2Ni2合金。在普通铸造条件下该合金便可以获得超细的微观组织,FCC+BCC/B2的复合强化效应使AlCrFe2Ni2合金在铸态下便可同时具有较高的拉伸屈服强度(780MPa)、断裂强度(1228MPa)和延伸率(17%)。该合金是目前铸态高熵晶体合金中屈服强度和断裂强度最高的高强高塑合金,并展现了良好的铸造流动性,具有潜在的工业应用价值。


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