CrFeNiMo(V)系共晶高熵合金的成分设计与力学性能研究

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共晶高熵合金设计概念提出后,引起了广泛的关注。由于共晶合金具有优异的铸造性能,使得共晶高熵合金具有潜在的工业化应用前景,对共晶高熵合金成分设计的探索具有重要的理论研究意义。本文以目前研究广泛、性能较优的CoCrFeNi系高熵合金为基础,去掉基体组元中的Co元素,结合现有的共晶合金成分设计理论和高熵合金的结构预测模型,通过调节合金元素的种类和配置比例,设计并制备了Fe2Ni2CrMox、Fe2Ni2CrMo0.25Vx、Fe2Ni2CrMo0.5Vx三个系列的高熵合金。系统地研究了它们的相组成、微观组织与力学性能,并研究了Fe2Ni2CrMo0.25Vx合金的室温摩擦磨损性能。得到如下结论:(1)Fe2Ni2CrMox(x=0.25,0.50,0.75,1.0,1.25,1.50)系高熵合金中,随着Mo元素含量的增加,合金的微观组织由亚共晶组织逐步向近共晶及过共晶组织转变,晶体结构由单相FCC转变为了FCC+σ相。由于σ相是脆而硬的拓扑密堆相且FCC相和σ相以层片状分布,层片宽度为300nm左右,组织细小,所以合金的强度和硬度有了很大程度的提高,但是塑性急剧下降。Fe2Ni2CrMo亚共晶高熵合金的综合力学性能最优,屈服强度、断裂强度和压缩塑性分别为1327MPa,2218MPa,32.1%。(2)Fe2Ni2CrMo0.25Vx(x=0.25,0.50,0.75,1.0,1.25,1.50,1.60,1.75)系列合金和Fe2Ni2CrMo0.5Vx(x=0.25,0.50,0.75,1.0,1.25,1.35,1.5,)系列合金在形貌上都出现了层片状的组织结构,且层片宽度只有100nm120nm,比Fe2Ni2CrMox系列合金中的层片更细小。通过DSC曲线分析了这两个系列合金的相变过程,发现两个系列合金均没有出现共晶组织转变过程。但是由于合金内部层片十分细小,且由软硬两相交替出现,预计在某个布满细小层片状的合金成分中会得到性能优异的合金,因此对两个系列合金进行了力学性能的分析。发现随着V含量的提高,两个系列的合金强度和硬度都有了大幅度的提高,但塑性下降明显。对两个Mo含量不同的系列合金(Fe2Ni2CrMo0.25Vx,Fe2Ni2CrMo0.5Vx)进行横向比较,发现,含Mo量高的系列合金的强度和硬度均高于含Mo量低的系列合金。且Fe2Ni2CrMo0.25Vx系列合金中组织完全为层片状的合金成分为V1.60,而Fe2Ni2CrMo0.5Vx系列合金中组织完全为层片状的合金成分为V1.35。当Mo元素含量较高时,表现为完全层片状组织的合金中所含有的V元素含量较低;当Mo元素含量较低时,表现为完全层片状组织的合金中所含有的V元素含量较高。推测Mo与V元素有一定的替代关系。
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