C、Mo微合金化对CoCrFeNi系高熵合金组织与力学性能的影响

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高熵合金是由4种或4种以上元素以等摩尔比或者非等摩尔比组成的单相固溶体合金,其不仅在设计理念上与传统合金不同,而且在性能上优于传统合金,从而展现出高强度、高塑性、高硬度、耐腐蚀等性能特点。通常,FCC单相高熵合金具有高塑性的特点,但因其强度不足而难以应用,近期有研究开发出一种新型富钴高熵合金,其延伸率可高达91.4%,但强度较低。传统合金中钴基合金由于其优越的机械性能和耐腐蚀性能,已经广泛应用于叶片、燃气轮机和金属骨科植入物的制造,因此开发具有高强度高塑性的单相FCC富钴高熵合金,在高熵合金应用领域具有广阔的发展前景。本课题通过C、Mo微合金化的方式对Co45Cr25Fe15Ni15Mo5高熵合金进行成分调控,并对其采用不同轧制工艺进行优化。采用X射线衍射分析(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射式电子显微镜(TEM)、电子背散射衍射技术(EBSD)以及能谱仪(EDS)等手段对其组织进行表征。研究了C、Mo元素对Co45Cr25Fe15Ni15Mo5高熵合金组织与力学性能的影响,以及不同轧制工艺对CoCrFeNiMoC系高熵合金组织与力学性能的影响,并研究其强韧化机理。结果如下:铸态[Co40Cr25Fe15Ni15Mo5]100-xCx高熵合金均为单相FCC结构,随着碳含量的增加合金晶格畸变程度呈现先增加后减少的趋势,当C原子在Co45Cr25Fe15Ni15Mo5高熵合金的固溶极限小于1at.%时,间隙固溶强化效果显著增强。随着碳含量的增加合金晶粒尺寸先减小后增大,析出相逐渐增多。合金的屈服强度与抗拉强度随着碳含量增加逐渐增加,延伸率则先上升后下降。当加入0.5at.%碳元素后合金屈服强度与延伸率同时提高至406MPa、63%。当加入C元素之后合金变形机制由相变诱导塑性变形(TRIP)效应为主导转变孪晶诱导塑性变形(TWIP)效应为主导,使得合金的强韧性得到同步的提升。铸态[Co40Cr25(Fe Ni)35-yMoy]100-xCx高熵合金均为单相FCC结构,当Mo微合金化时,随着钼含量的增加使得合金晶格常数呈现先上升后下降的趋势,C、Mo微合金化后合金晶格常数随着钼含量的增加逐渐增加。各合金组织晶粒内为树枝晶,一次树枝晶与二次树枝晶均有Mo元素的富集,在枝晶根部有点状富Mo析出相出现。Mo合金化时随着钼含量的增多屈服强度逐渐升高,延伸率呈现持续下降的趋势。C、Mo微合金化后随着钼含量的增多屈服强度呈现相同的变化趋势,同时与Mo合金化相比较强度有大幅度的提升。当C、Mo合金化后,[Co40Cr25Fe15.5Ni15.5Mo4]99.5C0.5高熵合金屈服强度、抗拉强度、延伸率分别为371MPa、833MPa,73%,展现出优异的强韧性。热轧后[Co40Cr25(Fe Ni)35-yMoy]100-xCx高熵合金枝晶偏析消除,晶粒尺寸显著减小,合金组织由完全再结晶晶粒以及未再结晶晶粒组成。[Co40Cr25Fe15.5Ni15.5Mo4]99.5C0.5高熵合金经在1100℃下轧制80%后,晶粒尺寸约在16μm,屈服强度、抗拉强度以及延伸率分别为757MPa、1186MPa、69%,与铸态下相比较强度分别提高了386MPa、353MPa,而延伸率仅下降了4%,展现出优异的强度与塑性的结合,其变形机制以孪晶诱导塑性变形(TWIP)效应为主导,强化机制由细晶强化、固溶强化共同作用。对冷轧后[Co40Cr25Fe15.5Ni15.5Mo4]99.5C0.5高熵合金800℃退火6min后,合金组织由未完全回复的变形晶粒以及细小的再结晶晶粒组成,合金屈服强度有1055MPa的同时仍保持有37%的延伸率,非均匀结构使得合金展现出优异的力学性能。当退火温度为1100℃时,合金由完全再结晶的等轴晶晶粒组成,晶粒尺寸大小均一,使得合金的延伸率高达85%。
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