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近年来,传统合金难以满足现代工业发展的要求。多主元高熵合金突破了以一种合金元素为主的传统合金设计模式,采用多主元成分设计可使合金拥有高强度、高硬度、耐高温氧化、耐磨和电磁等优异的综合性能。
本文采用真空电弧熔炼技术在FeCoNi三元合金的基础上通过添加Cu、Al、Ti等合金元素制备了六种等摩尔比的多主元合金,即FeCoNi、FeCoNiCu、FeCoNiAl、FeCoNiTi、FeCoNiTiCu、FeCoNiTiAl、FeCoNiTiCuAl等。利用XRD、OM、SEM、EDS等检测手段对合金的显微组织和相组成进行了表征,结合六种主元之间的二元平衡相图对不同成分的多主元合金的凝固行为进行了分析,通过热力学计算探讨了不同元素添加对合金显微组织和相组成的影响,并基于上述实验结果对多主元合金中固溶体相的形成条件进行了讨论。采用硬度测试、摩擦磨损实验和电化学腐蚀实验对不同主元的多主元合金的硬度、耐磨性和耐腐蚀特性进行了考察,并结合磨损面和腐蚀面形貌分析建立了合金性能与显微组织和相组成之间的相互关系。本文得到的主要研究结论如下:
(1)在三元和四元合金中,主元间的原子半径差和混合焓对合金的晶体结构和相组成影响较大。FeCoNi、FeCoNiCu合金相结构为FCC,而FeCoNiAl合金的相结构为PC。混合焓较负的FeCoNiTi合金相组成相对比较复杂,晶间相类似离异共晶。五元及六元合金系中,熵变在与焓变的竞争过程中占据了主要地位,五元及六元合金系相组成趋于简单,但晶间的成分偏析也逐渐显著,FeCoNiTiCu和FeCoNiTiAl合金都是以枝晶状固溶体为主,晶间有第二相和纳米析出颗粒。FeCoNiTiCuAl合金相结构为FCC+BCC,SEM分析表明固溶体含量进一步增加,但Cu元素仍然在晶间偏析。
(2)随着主元数的增加,合金的硬度呈上升趋势。在主元数相同的情况下,合金的硬度与所添加的元素有关。三元和部分四元合金,相组成简单,强化弱,合金的硬度较低:五元和六元合金有多种强化效应,固溶强化、析出强化和沉淀强化使得合金的硬度大幅度提高,含Cu元素的合金晶间偏析区形成Cu的软相,对合金的硬度提高是不利的。
(3)多主元合金的耐磨性与硬度的变化一致,硬度低的合金耐磨性较差,主要为粘着磨损;硬度高的合金耐磨性较好,表现为磨粒磨损。当合金的主元数达到五元及以上时,合金的耐磨性要远远优于304不锈钢。
(4)在1mol/L的H2SO4溶液、1mol/L的NaOH溶液和3.5%NaCl溶液中,相组成简单、成分均匀的合金耐蚀性较好;而相组成相对复杂的五元及六元合金由于晶间有偏析相形成,易于在合金内部形成微小的原电池腐蚀,表现的耐蚀性较差。在酸和碱环境下,多主元合金的耐蚀性没有304不锈钢好。在盐溶液中,由于氯离子的强穿透能力,使的304不锈钢表面的钝化膜被破坏,腐蚀速率增加,耐蚀性没有多主元合金好。