Al-Cr-Fe-Co-Ni-Cu系多主元合金組織與性能的研究.pdf

1、本文利用真空電弧爐制備一系列多主元合金(亦稱(chēng)高熵合金),研究其顯微組織形成規(guī)律,并運(yùn)用Miedema理論進(jìn)行了熱力學(xué)分析;同時(shí)制備Al-Ti-Cr-Fe-Co-Ni-Cu系列合金,研究Al、Cr、Cu元素含量對(duì)的Al-Cr-Fe-Ni-Cu五元合金的組織與性能的影響;在五元合金的基礎(chǔ)上逐步添加Co、Ti,熔鑄等摩爾原子比的AlCrFeCoNiCu六元合金與非等摩爾原子比的AlTiCrxFeCoNiCu(元素原子比依次為1:1:x:1:1

2、:1:1,x=0.5,1.0,1.5,2.0,2.5)七元合金系列,研究其鑄態(tài)與退火態(tài)的顯微組織、力學(xué)性能與物理化學(xué)性能,以及Cr元素的含量對(duì)七元合金的結(jié)構(gòu)與性能的影響。
　　 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,等摩爾原子比多主元合金形成完全固溶體遵循下列規(guī)律:當(dāng)?shù)饶栐颖鹊亩嘀髟辖鸬淖畲笤影霃讲睢鱎max＜12％、最大元素電負(fù)性差8％＜△Emax＜14％時(shí),如果混合焓-10kJmol-1＜Hmi＜5 kJmol-1,合金易形成完全固溶體,而

3、當(dāng)Hmix越負(fù),越易出現(xiàn)金屬間化合物;當(dāng)△Rmax>12％時(shí),多主元合金較難形成完全固溶體,易出現(xiàn)金屬間化合物。這是由于多主元合金含有高的混合熵值,使固溶體形成自由能遠(yuǎn)小于金屬間化合物的形成自由能,加上合金快速凝固,元素的擴(kuò)散和重分配遲緩,延后了新相的形成和長(zhǎng)大,故合金容易形成穩(wěn)定的固溶體,難以形成金屬間化合物或其他復(fù)雜的相。
　　 AlxCrFeNiCu、AlCrxFeNiCu、AlCrFeNiCuc(x=0.5,1.0,1.

4、5,2.0)五元合金的鑄態(tài)組織是典型的樹(shù)枝晶。Al、Cr、Cu的含量的變化影響Al-Cr-Fe-Ni-Cu合金的組織與硬度。Al含量的增加使AlxCrFeNiCu的顯微組織由FCC+BCC變?yōu)锽CC,Al促進(jìn)BCC的形成,合金的硬度增長(zhǎng)率△HV增長(zhǎng)為70％,表明Al是有效強(qiáng)化合金的元素,這是原子尺寸較大的Al固溶強(qiáng)化的結(jié)果。AlCrxFeNiCu合金的顯微組織是FCC+BCC,隨著Cr含量的增加,BCC結(jié)構(gòu)的強(qiáng)衍射峰衍射強(qiáng)度減弱,合金硬

5、度先降低后增加,硬度增長(zhǎng)率△HV增長(zhǎng)為8％,Cr元素對(duì)合金的強(qiáng)化效果不如Al元素。隨著Cu含量的增加,AlCrFeNiCu,合金的顯微組織從BCC向FCC+BCC過(guò)渡,Cu是促進(jìn)FCC形成的元素。等摩爾原子比的AlCrCuFeNi合金具有耐高溫軟化性,600℃退火2小時(shí)后,合金硬度下降率△HVF降僅為14.3％,1000℃退火后的硬度為常用調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼退火后的硬度的1.4～1.6倍。AlCrFeCoNiCu六元合金的鑄態(tài)組織是樹(shù)枝晶,顯微

6、組織是FCC+BCC,FCC即枝晶間相,富集Cu,同時(shí)固溶有Al、Cr、Co、Fe、Ni;BCC是由Al、Cr、Co、Fe、Ni幾種元素形成的固溶體,同時(shí)固溶少量的Cu。
　　 AlTiCrxFeCoNiCu(x=0.5,1.0,1.5,2.0,2.5)七元合金的鑄態(tài)組織有四種典型組織,即花瓣組織、菊花狀組織、樹(shù)枝晶組織與枝晶間組織。Cr是影響AlTiCrxFeCoNiCu系列合金凝固模式(亞共晶、共晶和過(guò)共晶凝固)的主要因素。

7、如果不考慮枝晶間相,當(dāng)x=0.5、1.0時(shí)為亞共晶凝固模式,凝固組織為α(初生)+共晶體(α+β);當(dāng)x=1.0和x=1.5之間的某一點(diǎn)時(shí)為共晶凝固模式,凝固組織為共晶體(α+β)組織;當(dāng)x=1.5、2.0、2.5時(shí)為過(guò)共晶凝固模式,凝固組織為β(初生)+共晶體(α+β)。
　　 AlTiCrxFeCoNiCu七元合金的鑄態(tài)硬度比AlCrFeCoNiCu六元合金的高,隨著Cr的含量的增加,合金硬度先升高后降低,這與顯微組織中的B

8、CC結(jié)構(gòu)有關(guān),BCC結(jié)構(gòu)的增加會(huì)提高合金的硬度。
　　 對(duì)于AlCrFeCoNiCu六元合金與AlTiCrxFeCoNiCu系七元合金,退火處理(200、400、600、800、1000℃退火1小時(shí))沒(méi)有改變合金的初生相和枝晶間相的化學(xué)成分,但AlTiCrxFeCoNiCu七元合金經(jīng)過(guò)800℃退火后出現(xiàn)AlNi、TiCo3、FeCu4、AlCu2Ti、AlNi2Ti、AlCr2、Cu3Fe17、FezAlCr、Al2FeCo、A

9、lFe、AlFe3、Fe2AlTi、Fe19Ni、Fe2AlTi、AlTiCo等金屬間化合物,這是合金中的元素在退火條件下得以擴(kuò)散和重分配,有利于新相的形成和長(zhǎng)大的結(jié)果。
　　 退火處理可以降低AlCrFeCoNiCu六元合金的硬度,退火溫度高于600℃時(shí)硬度才開(kāi)始明顯下降,800℃、1000℃退火后硬度下降率分別為16.8％與23.1％。硬度的下降是由于合金顯微組織中的枝晶問(wèn)區(qū)域變粗大、成網(wǎng)狀,弱化了合金的結(jié)果。
　　

10、 對(duì)于AlTiCrxFeCoNiCu系七元合金,隨著退火溫度的升高,合金硬度的變化有兩種情況,一是合金硬度先降低后升高,如AlTiCrFeCoNiCu、AlTiCr2.0FeCoNiCu、AlTiCr2.5FeCoNiCu合金,600℃退火后硬度最高,隨后硬度下降,但下降不大,最大的硬度下降率△HV下降僅為9.2％;但1000℃退火后的硬度比鑄態(tài)的高,最大的硬度增長(zhǎng)率為14％,硬度的升高是與金屬間化合物的產(chǎn)生有關(guān);二是合金硬度升高,如A

11、lTiCr0.5FeCoNiCu、AlTiCr1.5FeCoNiCu合金,前者是由于共晶組織隨著退火溫度的升高而球化、細(xì)小化、均勻化的分布于初生相之間和金屬間化合物的生成強(qiáng)化了合金,后者是因?yàn)榫哂畜w心立方結(jié)構(gòu)的β相的增多與金屬問(wèn)化合物的生成,有效地提高了合金的硬度。
　　 Al-Ti-Cr-Fe-Ni-Cu-Co系列合金鑄態(tài)的抗壓強(qiáng)度為1.42～1.84GPa,是灰口鑄鐵的1.5～4倍;壓縮彈性模量為39.63～47.49GPa

12、,分別是灰鑄鐵、球墨鑄鐵、碳鋼、鑄鋼的彈性模量的0.3～0.4、0.3、0.2、0.2倍;壓縮斷口具有準(zhǔn)解理斷裂的特征,屬于脆性斷裂。AlCrFeCoNiCu合金的鑄態(tài)塑性最好,其壓縮延伸率是其它七元合金的1.45～2.2倍。
　　 退火處理可以降低Al-Yi-Cr-Fe-Ni-Cu-Co系列合金的抗壓強(qiáng)度,最大的降低率為52％(AlTiCr1.5FeCoNiCu),最小的為3.4％(AlCrFeCoNiCu)。退火處理可以提高

13、AlCrFeCoNiCu六元合金的延伸率,其退火態(tài)延伸率是鑄態(tài)的1.6倍;但降低AlTiCrxFeCoNiCu七元合金的延伸率,最大延伸率降低率為61.5％(AlTiCr1.5FeCoNiCu)。
　　 腐蝕研究表明,在0.5 mol.L-1H2SO4溶液中,AlCrFeCoNiCu六元合金與AlTiCr1.5FeCoNiCu、AlTiCr2.0FeCoNiCu七元合金是耐蝕的,AlTiCr2.0FeCoNiCu的腐蝕速度是30

14、4L不銹鋼的0.8倍,表明AlTiCr2.0FeCoNiCu比304L不銹鋼耐蝕。在3.5％NaCl溶液中,Al-Ti-Cr-Fe-Ni-Cu-Co系列合金的腐蝕電位為-0.248～0.48V,腐蝕速度為304L不銹鋼的0.1～0.8倍,都比304L不銹鋼耐蝕。
　　 研究表明Al-Ti-Cr-Fe-Ni-Cu-Co系列合金屬于順磁、軟磁材料,其磁滯回線狹窄,但矯頑力比軟磁材料高2個(gè)數(shù)量級(jí),而比永磁材料小1～2個(gè)數(shù)量級(jí);AlCr