FeNiCoZrNbAlx系高熵合金组织性能研究

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高熵合金,又被定义为固溶体合金,含有五种及其以上的主要元素,这些元素的原子比例相等或接近相等。近年来,高熵合金因其独特的成分、显微结构和可调节的性能而受到越来越多的关注。由于存在高熵效应,高熵合金的组织结构及性能都有别于传统合金。本文利用真空电弧炉制备FeNiCoZrNbAlx(x=0,0.1,0.2,0.4,0.6)系高熵合金,并对 FeNiCoZrNbAlx 合金在不同的温度(850℃,900℃,950℃,1000℃,1050℃)下保温4h后随炉冷却。同时在不同的温度(600℃,700℃)和不同的时间(6h,12h,18h)条件下,对FeNiCoZrNb合金进行表面渗A1处理。利用X射线衍射、光学显微镜、DSC热分析、扫描电镜、维氏硬度计和电化学工作站等分析手段,系统地研究了A1含量、热处理和渗A1处理对高熵合金的相组成、微观组织和性能的影响。得出如下结论:(1)铸态FeNiCoZrNbAlx合金相结构由HCP和FCC两相组成。随着A1含量的增多,合金中FCC相增多,经历了 HCP→HCP+FCC→FCC的过渡转变过程。合金具有典型的树枝晶结构,在枝晶间存在成分偏析。Al含量增加,枝晶偏析减少;但A1含量过多,合金晶格畸变严重,影响合金的组织性能,增大合金的脆性。A1含量达到0.4时,合金内应力过大,产生裂纹,A1继续增加裂纹增多。随着A1含量的增加,合金的硬度和耐腐蚀性能会先提升再降低,这是FCC相与严重晶格畸变综合产生的结果。FCC相结构增多使合金的硬度降低,严重晶格畸变使合金的强度、硬度增加,脆性增大。综上所述,合金在A1含量为0.2时综合性能最好。(2)FeNiCoZrNbAlx合金在热处理后的变化规律相似,即随着热处理温度的升高,合金中FCC相增加。合金中的树枝晶组织在温度较低时有轻微的变化;温度提升到1000℃后,Zr元素逐渐富集形成针状组织。A1含量比较高时,合金在热处理温度小于1000℃时就已经出现针状组织。这是由于热处理使合金发生相变,温度越高转变越大,高温热处理时发生的相变中,Zr原子脱离出晶体结构,严重晶格畸变使这一现象更加明显。针状组织能够降低合金的硬度、韧性、耐腐蚀性等性能,是一种有害的脆性相。合金的硬度随着温度的升高而增加,达到最大后下降。热处理也会增强合金的耐腐蚀性能,但是规律不明显。综上所述,合金经过950℃热处理后的综合性能最好。(3)合金渗Al的原理是FeNiCoZrNb合金原子和A1原子受热后互相扩散。时间和温度对渗A1都有影响,时间越长温度越高,渗层厚度越大。渗层主要分成A层条纹状组织和B层棒状组织两部分。条纹状组织是两种片层状组织重复叠加形成的,这两种片层组织的成分完全不同。经过不同的条件处理后,高熵合金层和纯Al层的硬度没有发生变化,但是渗层的硬度变化比较大,其中在700℃保温6h后的合金的硬度最大。
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