【摘 要】
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难熔高熵合金因其高熔点、多主元高度固溶、强烈晶格畸变和迟滞扩散效应等特征,具有较高的室温/高温强度,优异的抗蠕变、抗氧化、高耐磨等性能特点,拥有替代镍基高温合金作为新一代航空航天高温结构材料的巨大潜力,有望大幅拓展金属材料的服役温度区间。目前,B2、Laves、ω等析出相增强型难熔高熵合金展现出更为优越的室温/中温力学性能,但随着服役温度升高,这类合金中的有序固溶体/金属间化合物析出相均具有极强的
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难熔高熵合金因其高熔点、多主元高度固溶、强烈晶格畸变和迟滞扩散效应等特征,具有较高的室温/高温强度,优异的抗蠕变、抗氧化、高耐磨等性能特点,拥有替代镍基高温合金作为新一代航空航天高温结构材料的巨大潜力,有望大幅拓展金属材料的服役温度区间。目前,B2、Laves、ω等析出相增强型难熔高熵合金展现出更为优越的室温/中温力学性能,但随着服役温度升高,这类合金中的有序固溶体/金属间化合物析出相均具有极强的回溶倾向,进而导致合金的高温力学性能急剧衰减。因此,本文以具有优良热稳定性和高温力学性能的陶瓷相作为增强相,设计并制备了新型“内生”陶瓷相增强CrMoNbWTi难熔高熵合金。以机械合金化和粉末冶金法作为制备方法,在CrMoNbWTi中引入不同含量的C、O、N非金属元素,利用非金属-金属原位反应合成的碳/氧/氮化物陶瓷增强相进一步提高材料的力学性能。研究了非金属元素对CrMoNbWTi难熔高熵合金微观组织、物相组成和力学性能的影响规律,分析了合金中陶瓷相的形成及其强化机制。主要结果如下:利用机械合金化和粉末冶金法制备了含微量O、N的CrMoNbWTi难熔高熵合金,研究了粉体的机械合金化进程、烧结体的微观组织与力学性能。结果表明,CrMoNbWTi难熔高熵合金粉体在转速350 r·min-1,球料比10:1,正反转交替球磨42 h后能够实现金属粉末的完全合金化,形成BCC单相固溶体。在1450°C粉末冶金过程中,含微量O和N的CrMoNbWTi过饱和BCC固溶体转变为BCC-CrMoNbWTi0.75和FCC-Ti(O,N)双相结构。烧结体的室温力学性能为:维氏硬度7.2 GPa、压缩屈服强度2324 MPa、压缩断裂应变8.6%。其较高的屈服强度主要源自于固溶强化、细晶强化、Orowan强化和载荷传递强化。通过改变球磨气氛的空气残余量(真空、1 k Pa、2 k Pa、4 k Pa)调节CrMoNbWTi难熔高熵合金粉体中的O、N含量(简称ON-1至ON-4),研究了O、N含量对难熔高熵合金物相组成与力学性能的影响。结果表明,随着球磨真空度下降,合金化粉体中的O、N含量逐渐升高,其烧结体中的氧/氮化物含量也相应增多。ON-1至ON-4烧结体的物相组成分别为:BCC+6%Ti(O,N)、BCC+10%Ti(O,N)、BCC+25%Cr2Nb+19%Ti(O,N)、BCC+19%Ti2O3+30%(Nb,Ti)N。随着烧结体内部陶瓷相含量增多,陶瓷相的强化贡献更为显著,进而使高熵合金的硬度由7.2 GPa逐渐提升至11.1 GPa,强度由2324 MPa逐渐提升3546 MPa,但断裂应变逐渐降低。此外,陶瓷相形成会引起BCC固溶体熵值降低并析出大量脆性Cr2Nb基Laves相,导致材料在远低于其理论屈服强度的应力下提前断裂。降低Cr含量和高温热处理能够减少合金中脆性Cr2Nb含量,有利于提高断裂应变,避免发生提前断裂现象。通过分别在不同球磨气氛下(空气残余量:真空、1 k Pa、2 k Pa、4 k Pa)添加1 wt.%的C18H36O2硬脂酸的方式,在CrMoNbWTi粉体中同时引入了C、O、N元素,研究了不同C、O、N含量的CrMoNbWTi难熔高熵合金(简称CON-1至CON-4)的物相组成和力学性能。结果表明,当CrMoNbWTi合金体系中存在C、O、N非金属时,非金属优先与金属反应形成陶瓷相,其氧/氮/碳化物陶瓷相形成的优先次序可描述为:Ti+O→Ti2O3,Ti+N→Ti N,Ti+C→Ti C,Nb+C→Nb C,Nb+N→Nb N,Ti+Ti2O3→Ti O。Cr2Nb相的析出与否取决于陶瓷相形成引起的BCC熵值降低程度及其Cr-Nb残余量。CON-1至CON-4的硬度分别为:9.5 GPa,9.4 GPa,11.2 GPa和9.3 GPa,其硬度差异主要受第二相载荷传递强化贡献大小的控制。此外,陶瓷增强CrMoNbWTi难熔高熵合金具有优良的高温力学性能,CON-4在1300°C、1400°C和1500°C的高温压缩屈服强度和塑性分别为:1266 MPa/10%、553 MPa/>70%和183 MPa/>70%,其优越的高温力学性能归因于陶瓷增强相优异的高温热稳定性和高温抗软化能力。
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