TiZrHfNb系多主元合金等离子辅助气体合金化及力学性能

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难熔高熵合金作为一种新型高强度、耐高温、抗高温氧化的多主元合金,有望取代传统高温合金材料。但是它室温塑性低,变形极限差,故难熔高熵合金绝大多数必须进行热加工成形,但热变形温度高,流动应力大等一些热加工上的缺点,限制了难熔高熵合金的应用。氢作为一种临时合金化元素,可以改善钛合金、钛铝合金等材料的热加工性能,近年来得到了人们的广泛关注。本文通过等离子辅助气体合金化的方式,即在熔炼气氛中通入H2/Ar的混合气氛,电弧电离使得氢分子分解,使氢进入TiZrHfNbMo难熔高熵合金中从而完成置氢处理,研究了置氢对TiZrHfNbMo难熔高熵合金组织及力学性能的影响。研究结果表明:(1)置氢前后TiZrHfNbMo难熔高熵合金均为单一的BCC结构,氢的添加并未对合金的晶体结构及择优取向产生影响。(2)置氢前后TiZrHfNbMo难熔高熵合金均为树枝晶状形貌,氢(H)的溶入降低了二次及多次枝晶的数量和尺寸,并对一次枝晶起到细化的作用。(3)在高温变形条件下,置氢前后TiZrHfNbMo难熔高熵合金随着变形应变速率的下降和温度的提高,用温度补偿应变速率参数Z表示,即随着Z的增大,组织变的更加均匀,动态再结晶程度更高,高温流变抗力越来越低。(4)研究了置氢前后TiZrHfNbMo难熔高熵合金在T:1100-1250℃、ε:0.001s-1-0.5s-1下的热变形行为,流动应力随变形温度的升高和应变速率的减小(Z参数的增大)而减小。置氢前后变形激活能分别为326.111kJ/mol,286.277kJ/mol。推导出置氢前后TiZrHfNbMo难熔高熵合金的Arrhenius本构方程。(5)建立未置氢TiZrHfNbMo难熔高熵合金应变为0.6的热加工图,在本实验范围内,最佳变形条件范围:T:1110-1170℃、ε:10-3-10-2.5s-1;对应的组织较均匀且晶粒尺寸适中,无裂纹、孔洞等失稳现象产生。(6)置氢TiZrHfNbMo难熔高熵合金峰值应力呈现应变速率敏感性,在较大应变速率0.5、0.1s-1时对应峰值应力增大,是由于H的固溶强化所致,组织变形表现为不均匀。较低应变速率0.01s-1时,峰值应力大幅降低,高温流变应力降幅可达20%,对应最低应变速率0.001s-1时,因此变化幅度不明显。(7)分析了应变速率0.01s-1时峰值应力软化原因,置氢动态再结晶晶粒尺寸(4.15μm-13.41μm)及所占面积比(48.2%-100%)均明显高于未置氢样品(3-4.99μm,44.8%-82.4%),证明H促进动态再结晶的形成,高温流变组织更加均匀。另外,在低应变速率0.01、0.001s-1条件下,在变形条带处发现微米级的析出相,析出相的成分与基体近似。二者的存在使得置氢高熵合金表现在低应变速率时的峰值软化。(8)置氢前后合金变形机制主要是不连续动态再结晶,择优取向为<001>或<111>,置氢后取向更加突出。
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