【摘 要】
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高熵合金因具有高强塑性、超高硬度、良好的耐腐蚀性、优异的抗磨损性能和高温稳定性以及优良的抗蠕变性能,引起越来越多学者的重视。以Nb、W、Mo、Hf、Ta、Ti和Zr等难熔元素组成的难熔高熵合金(如NbMo Ta W、AlHf NbTi Zr、Hf Mo Ta Ti Zr和AlMo0.5NbTa0.5Ti Zr等),具有高熔点和优异高温性能,在耐高温结构材料方向占着举足轻重的地位。相比于其它难熔高熵
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高熵合金因具有高强塑性、超高硬度、良好的耐腐蚀性、优异的抗磨损性能和高温稳定性以及优良的抗蠕变性能,引起越来越多学者的重视。以Nb、W、Mo、Hf、Ta、Ti和Zr等难熔元素组成的难熔高熵合金(如NbMo Ta W、AlHf NbTi Zr、Hf Mo Ta Ti Zr和AlMo0.5NbTa0.5Ti Zr等),具有高熔点和优异高温性能,在耐高温结构材料方向占着举足轻重的地位。相比于其它难熔高熵合金,采用传统真空电弧熔炼法制备的AlMo0.5NbTa0.5Ti Zr高熵合金表现出低密度（仅为7.40 g/cm~3）和高温强度的亮点,被认为是镍基高温合金的替代品。但该合金室温塑性差,存在成分偏析和缩孔等缺陷,且晶粒尺寸粗大,不利于提高高熵合金性能。本课题采用机械合金化制粉和放电等离子烧结技术相结合的方式,制备AlMo0.5NbTa0.5Ti Zr难熔高熵合金,探究制备工艺和热处理工艺对高熵合金组织性能的影响。首先,机械合金化制备高熵合金粉末是通过以下两步实现的:（1）低能机械混粉:采用球磨转速200 rpm,球料比3:1,球磨时间12 h和硬脂酸作为球磨过程控制剂,实现了原始粉末的均匀混合;（2）高能机械球磨:采用球磨转速350 rpm,球料比10:1,球磨时间50 h,得到成分均匀以BCC相为主的合金化粉末;另外,随着高能机械球磨时间的增加,高熵合金的合金化顺序为Al→Ti→Zr→Nb→Mo→Ta,合金粉末发生从分布均匀→团聚→冷焊合和断裂→细化→近球形的变化过程。其次,研究了硬脂酸作为球磨过程控制剂的AlMo0.5NbTa0.5Ti Zr高熵合金的微观组织和力学性能;在1200℃下SPS烧结的高熵合金主要由基体相、富Al-Zr相和Ta C组成,其维氏硬度达603.8 HV,而在25℃、600℃和1000℃下合金的抗压强度分别为1202.9 MPa、719.1 MPa和541.6 MPa,断裂应变分别为11.53%、9.98%和30%;合金在25℃和600℃没有发生屈服,表现出脆性断裂,在1000℃出现明显屈服现象,具有较高的高温强度。在此基础上,研究了在不加球磨控制剂的情况下,不同烧结温度下AlMo0.5NbTa0.5Ti Zr高熵合金的微观组织和力学性能;1300℃和1400℃下SPS烧结的高熵合金,主要由BCC结构的基体相和HCP结构的富Al-Zr相组成,维氏硬度分别为600.6 HV和620.1 HV;25℃下抗压强度分别为2157.5 MPa和2243.3 MPa,而延伸率分别为10.4%和10.8%;600℃下抗压强度分别为1736.1 MPa和1584.8MPa;1000℃下抗压强度分别为636.3 MPa和798.7 MPa。随着烧结温度的升高,加剧原子扩散到基体相中引起更大的晶格畸变,晶界富Al-Zr析出相含量的增多,提升了力学性能;25℃和600℃下,材料均表现脆性断裂,断裂是沿晶和直穿晶发生的;当烧结温度1400℃时,高熵合金在1000℃具有更强的抵抗变形的能力。最后,热处理的调控显著增强了AlMo0.5NbTa0.5Ti Zr高熵合金的力学性能。研究发现,随着均匀化热处理温度的升高,1200℃下SPS烧结的硬脂酸作为球磨过程控制剂的高熵合金,晶格畸变减小,晶粒尺寸粗大;BCC相结构的基体内Ta C相的尺寸从烧结态的60μm减小到1400℃/12h的20μm;基体中有HCP相结构的富Al-Zr相的析出,并出现了富Mo、Nb和Ta的区域和富Al、Nb和Zr的区域;高熵合金的维氏硬度值从烧结态的603.8 HV减小到1400℃/12h的493.22 HV;经过1200℃/12h、1300℃/12h和1400℃/12h均匀化热处理后的高熵合金,25℃抗压强度分别比烧结态的1202.9 MPa提高了3.4%、35.9%和55.4%;600℃抗压强度分别比烧结态的719.0 MPa提高了16.8%、75.4%和101.9%;1000℃抗压强度分别比烧结态的541.6 MPa提高了10.0%、19.4%和58.8%。25℃和600℃压缩断口面有明显的解理台阶和河流状花样特征,表现出脆性断裂,1000℃的断裂是沿着高熵合金晶粒发生的。随着均匀化热处理温度的升高,高熵合金在不同温度的压缩性能都有很大程度的提升,这是因为高的温度提升了原子扩散激活能,加剧了原子扩散,相同的热处理时间内,使得更多的Ta C溶解到基体相中,均匀了基体组织,提升了性能。
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