Al-CR-Fe-NI-M系多相高熵合金微觀組織與力學性能的基礎研究.pdf

1、多主元高熵合金打破了傳統合金以一種或兩種元素為主的設計理念，而是采用多種主元的一類新興合金。由多種主元組成的高熵合金具有高熵效應、晶格畸變效應、遲緩擴散效應和雞尾酒效應等一系列特性，使其可擁有優異的物理、化學及力學性能，如高強度、高硬度、高耐磨性、高耐腐蝕性、高的低溫韌性等，因而具有潛在的廣闊工業應用前景和重要的理論研究價值。
　　本文以Al-Cr-Fe-Ni-M(M為Co、Mo、V、W)合金系為研究對象，通過各種組織分析方法，系

2、統地研究了不同元素對Al-Cr-Fe-Ni-M合金系組織演化的影響規律，并探討了不同相組成對合金力學性能的影響機制?；赿軌道能級參數，建立了可成功預測高熵合金中拓撲密排相(TCP)的穩定性模型，并結合多相固溶體高熵合金形成規律，設計并制備出了壓縮強度大于3GPa及目前鑄態拉伸屈服強度、斷裂強度最高的高強高塑多主元高熵合金，本文主要結論如下:
　　1)基于原子半徑差異(ΔR)、混合焓(ΔH)、電子濃度(VEC)和電負性差異(Δx)

3、預測參數模型，系統地研究了多相固溶體高熵合金的形成規律。研究發現，含有多相FCC固溶體的高熵合金應滿足:ΔR≤4.9％，-5.9 kJ·mol-1≤ΔH≤3.2kJ·mol-1，VEC≥8.2，ΔxPauling≤12.2％，ΔxAllen≤10.6％;含有多相FCC、BCC混合固溶體的高熵合金應滿足:4.7％≤ΔR≤6.2％,-13.1 kJ·mol-1≤ΔH≤-2.7kJ·mol-1,7.1≤VEC≤8.2,ΔxPauling≤14

4、.6％,ΔxAllen≤16％;含有多相BCC固溶體高熵合金應滿足:ΔR≤7.1％，-22.8kJ·mol-1≤ΔH≤0.3kJ·mol-1，VEC≤7.5,ΔxAllen≤16.6％。
　　2)建立了適用于高熵合金的d軌道能級模型，成功地實現了對高熵合金中拓撲密排(TCP)相的預測。研究發現在以Co、Fe、Ni為主要元素并形成TCP相的高熵合金體系中，若基體具有FCC結構，則當Md大于0.9時，易于形成TCP相;若基體為BCC結

5、構，則當Md大于1.09時，傾向形成TCP相。
　　3)在AlCrFeNiMox合金系中，AlCrFeNiMo0.2合金為富FeCr的BCC固溶體相與富NiAl的B2金屬間化合物相的雙相層片狀共晶合金。Mo元素的固溶強化、第二相的析出及超細的共晶組織使AlCrFeNiMo0.2合金展現出優異的力學性能，其壓縮屈服強度(σy)高達1487.4MPa，斷裂強度(σb)高達3222MPa，塑性應變率(εp)28.7％。
　　4)V

6、元素改性AlCoCrFeNi后的高熵合金，BCC相與B2有序相的組合形態發生變化，編織狀調幅組織逐漸消失，BCC相以顆粒形態彌散地分布在B2相的基體上。隨著V元素在AlCoCrFeNiVx合金中含量的增加，由于固溶強化作用，合金的硬度與屈服強度逐漸升高。其中，AlCoCrFeNiV0.2合金表現出最優異的力學性能，其壓縮屈服強度、斷裂強度和塑性應變量分別高達1492.4MPa、3297.8MPa和26.8％，是目前報道的常溫下壓縮強度最

7、高的幾個高熵合金之一。
　　5)AlCoCrFeNi2Wx合金系由初生BCC相+共晶FCC/BCC相組成。W元素的添加將增加初生BCC相的體積分數，并改變BCC相中FCCⅡ相的析出形態。FCC/BCC的共晶復合強化效應、FCCⅡ相的析出及多元素間的固溶強化作用使AlCoCrFeNi2合金具有優異的靜態拉伸性能，工程斷裂強度和延伸率分別為853MPa和15.3％，并表現出了良好的鑄造流動性。
　　6)在高熵合金設計理論的指導下

8、，采用相近化學元素替代的方法，設計出具有超細的面條狀FCC相、連續的網狀B2相和顆粒狀的BCC相組成的AlCrFe2Ni2合金。在普通鑄造條件下該合金便可以獲得超細的微觀組織，FCC+BCC/B2的復合強化效應使AlCrFe2Ni2合金在鑄態下便可同時具有較高的拉伸屈服強度(780MPa)、斷裂強度(1228MPa)和延伸率(17％)。該合金是目前鑄態高熵晶體合金中屈服強度和斷裂強度最高的高強高塑合金，并展現了良好的鑄造流動性，具有潛在