TaN含量对FeCoCrNiMn高熵合金组织与性能的影响

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与传统合金相比,高熵合金具有强度大、硬度高、耐磨性好等一系列优点,是材料发展中一个新的研究方向。FeCoCrNiMn高熵合金作为典型的高熵合金之一,自2004年首次被设计出来,一直受到众多科研人员和广大学者的关注,该体系的高熵合金具有简单的面心立方(FCC)结构,塑韧性好,但其强度低,耐高温性以及耐腐蚀性能较差,因此选择加入具有高结合强度、介质粘附性好、热稳定性高、扩散阻挡性能以及良好的导电性的TaN来改善其性能,研究了TaN含量对FeCoCrNiMn高熵合金组织与性能的影响。采用非自耗真空电弧熔炼法制备了(FeCoCrNiMn)100-X(TaN)X(X=0~25wt.%)合金,对试样进行了硬度测试,拉伸试验,高温氧化实验,电化学腐蚀实验,通过扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)等仪器对铸态以及实验后的合金样品进行观察和分析,得到以下结论:(1)当TaN含量在0~6wt.%时,合金中为FCC固溶体组织;铸态FeCoCrNiMn高熵合金主要由均匀分布的富Fe、Co、Cr、Ni、Mn元素的FCC固溶体树枝晶和富Cr、Mn的FCC固溶体黑色斑点相组成,因此该体系高熵合金表现出单一FCC结构。随着TaN的添加,树枝晶逐渐消失,出现了细小的富Cr、Ta的等轴晶,均匀的分布在高熵合金基体中;当TaN≥7wt.%,除了检测到FCC衍射峰外,还出现了BCC衍射峰,等轴晶从最初的颗粒状分布变为网状分布,细小的等轴晶为富Cr-Mn-Ni-Ta的固溶体,而块状的则为富Cr-Mn-Ta的固溶体,网状的枝晶为富Cr-Co-Fe-Ta的固溶体;随着TaN含量的进一步增加,BCC衍射峰进一步增强,而且还有新相M7N3的生成。原始合金的硬度为154.4HV,而TaN含量为10wt.%的合金硬度增加至281.3HV,提升了82.2%,实验测得其抗拉强度从385.4MPa增加至522.8MPa,提高了35.7%;TaN的添加有显著的强化效果,但不可避免的牺牲了塑韧性,合金的延伸率由48.7%降低至10.2%。(2)添加TaN有助于提升FeCoCrNiMn高熵合金的抗氧化性,其中TaN含量为10wt.%的合金表现出了最优异的抗氧化性。在700℃时,TaN含量为0wt.%、5wt.%、10wt.%和15wt.%的合金均为抗氧化级;800℃时,除了TaN含量为10wt.%的合金为抗氧化级,其余均为次抗氧化级;900℃时,四种合金均为次抗氧化级;1000℃时,TaN含量为0wt.%和5wt.%的合金为弱抗氧化级,TaN含量为10wt.%和15wt.%的合金为次抗氧化级。四种成分合金的氧化激活能分别为136.6、194.7、231.3和187.1k J/mol。在700、800℃时,表层的氧化产物都包括Mn2O3,不同的是800℃时,还生成了Mn3O4;而900℃时,四种合金的氧化层中主要分布着Mn3O4,还有部分Mn2O3,以及少量Fe Mn O3和Fe2O3;在1000℃氧化时合金的氧化产物为Mn3O4、Ni O、Fe3O4、Fe(Ni Mn)O4。(3)TaN的添加有助于提升合金的耐腐蚀性。在0.5mol/L H2SO4溶液中,TaN含量为5wt.%的合金表面几乎没有腐蚀坑的出现,其自腐蚀电流密度最小,容抗弧半径最大,因此其表现出了最优异的耐腐蚀性;在0.5mol/L Na OH溶液中,相较于其它三种合金,TaN含量为15wt.%的合金腐蚀后表面几乎没有腐蚀坑的出现,而且其具有最大的容抗弧半径(阻抗值最大),自腐蚀电流密度比另外三种合金小一个数量级,因此在溶液中最抗腐蚀;在3.5wt.%Na Cl溶液中,TaN含量为0wt.%、5wt.%、10wt.%和15wt.%的合金表面都出现了腐蚀坑,而且腐蚀程度相差不大,但综合来说,TaN含量为15wt.%的合金表现出了较好的耐腐蚀性。
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