以金属间化合物为基的高熵合金成分设计及性能研究

来源 :辽宁工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ganglei2008
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高温合金是当今国民经济发展和现代国防工业建设不可或缺的关键材料。以Ni基高温合金为代表的传统高温合金以固溶体为基体,具有良好的高温强度和塑韧性。但由于受到固溶体基体以及合金熔点的限制,对此类合金性能的开发已接近极限。金属间化合物高温合金以有序结构为基体,通常具有优良的高温稳定性、抗高温蠕变以及较高的强度。但其塑韧性较差,高温强度较低,其应用受到了很大限制。高熵合金作为一种新型的合金体系,具有优良的综合性能,但目前已开发的高熵合金的高温性能与传统高温合金相比并没有明显优势。因此,为解决上述问题,本研究将高熵合金、金属间化合物的设计思想相结合,同时根据传统高温合金的合金化规律,开发兼具高熵合金塑韧性、金属间化合物稳定性的以有序化合物为基体的新型高熵合金材料。本文根据以上思想,通过成分设计,利用真空电弧熔炼法制备了CoxNixCuxTiZrHf、CoxCuxTiZrHf和FexCoxNixCuxTiZrHf系列高熵合金,并系统研究了其不同温度热处理后的晶体结构、组织及其力学性能,并归纳得出了与电负性相关的高熵合金相形成规律。研究发现铸态Fe0.75Co0.75Ni0.75Cu0.75TiZrHf、CoNi Cu TiZrHf及Co1.5Cu1.5TiZrHf高熵合金呈现出了以B2为基的有序结构,具有很好的热稳定性。其中Fe0.75Co0.75Ni0.75Cu0.75TiZrHf合金具有最佳综合性能,其基体的晶体结构类似于CoZr、CoHf金属间化合物的有序结构。此合金不仅具有极高的室温压缩强度(2.5GPa)、高温屈服强度(在600°C时,屈服强度可达1.5GPa;在800°C和900°C高温下,仍分别可达905MPa和705MPa)、相稳定性(1000°C时仍能保持原有晶体结构,没有新相产生),而且具有一定的塑韧性。与现有的高温合金相比,具有更好的综合性能。此合金的成功制备,为新型高温合金的开发提供了可能性及“敲门砖”。为了系统地阐述金属间化合物为基的高熵合金相形成特点,本研究中依据实验结果归纳得出了原子半径差及电负性差相关的相形成规律,即δ-η规则。与之前的电负性规则相比,本规则以晶格中的中心原子与周围邻近原子的直接电负性差为基准,充分考虑毗邻原子之间的相互作用,更合理地揭示了高熵合金的相形成规律,完善了高熵合金相形成理论。研究发现当0.2≤η≤0.4且δ≥5.5时,合金倾向于形成金属间化合物或非晶;当η<0.2或η>0.4且δ<5.5时,合金倾向于形成以固溶体为基体的合金;共晶合金由于其特殊的固溶体+金属间化合物结构,分布于两个分界线的附近。
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