【摘 要】
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氢能是21世纪最有潜力的新能源,随着人类对环境友好型的清洁能源要求的提高,对材料的抗氢脆性能也提出了更高的要求。等原子比的Fe25Co25Cr25Ni25高熵合金具有单相的面心立方结构,在常温和低温下具有优异的力学性能,抗氢脆性能优于目前研究最多的Co20Cr20Fe20Mn20Ni20高熵合金,但是去除Fe元素后,等原子比的Co33.33Cr33.33Ni33.3中熵合金抗氢脆性能变得很差,目前
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氢能是21世纪最有潜力的新能源,随着人类对环境友好型的清洁能源要求的提高,对材料的抗氢脆性能也提出了更高的要求。等原子比的Fe25Co25Cr25Ni25高熵合金具有单相的面心立方结构,在常温和低温下具有优异的力学性能,抗氢脆性能优于目前研究最多的Co20Cr20Fe20Mn20Ni20高熵合金,但是去除Fe元素后,等原子比的Co33.33Cr33.33Ni33.3中熵合金抗氢脆性能变得很差,目前还没有科研人员对这种现象进行研究;Fe25Co25Cr25Ni25高熵合金的屈服强度仅有192 MPa,严重影响了它的工业应用价值。本文以等原子比的Fe25Co25Cr25Ni25高熵合金为研究对象,采用了高压恒温气态预充氢、慢应变速率拉伸、扫描电镜和透射电镜等方法,系统研究了Fe原子含量和晶粒细化对Fe25Co25Cr25Ni25高熵合金的抗高压氢脆性能、充氢前后的断口形貌和变形微观组织等影响,主要研究进展如下。Fe2.5Co32.5Cr32.5Ni32.5、Fe10Co30Cr30Ni30和Fe25Co25Cr25Ni25高熵合金在800℃退火1 h后,晶粒尺寸都在3～4μm范围,延伸率大约为50%,充氢后它们的塑性损失分别为33%、18%和3%,Fe2.5Co32.5Cr32.5Ni32.5和Fe10Co30Cr30Ni30高熵合金的断裂模式从微孔聚集的韧性断裂转变成晶间的脆性断裂,Fe25Co25Cr25Ni25高熵合金充氢前后都是微孔聚集的韧性断裂,表明Fe含量对Fe25Co25Cr25Ni25高熵合金的抗氢脆性能具有显著影响。未充氢的Fe25Co25Cr25Ni25高熵合金塑性变形机制是以位错滑移为主,充氢后Fe2.5Co32.5Cr32.5Ni32.5高熵合金变形方式转变成以位错平面滑移和变形孪晶为主,Fe25Co25Cr25Ni25高熵合金转变成位错交叉滑移和变形孪晶为主;在氢致局部塑性和氢致弱键机制共同作用下Fe2.5Co32.5Cr32.5Ni32.5和Fe10Co30Cr30Ni30高熵合金发生晶间的脆性断裂,通过位错传输到Fe2.5Co32.5Cr32.5Ni32.5和Fe10Co30Cr30Ni30高熵合金晶界处的氢浓度能够降低它们晶界的结合力。但Fe25Co25Cr25Ni25高熵合金晶界的结合力更强,在它的晶界处观察Cr原子含量偏高,Cr的偏析显著地提高了Fe25Co25Cr25Ni25高熵合金的抗氢脆性能。通过不同的再结晶温度和时间,制备出了晶粒尺寸为40μm、4μm和725 nm的Fe25Co25Cr25Ni25高熵合金。晶粒细化把Fe25Co25Cr25Ni25高熵合金的屈服强度从160 MPa提高到725 MPa,延伸率从62%下降到27%;晶粒细化降低充氢后Fe25Co25Cr25Ni25高熵合金的塑性损失,晶粒尺寸为40μm和4μm的Fe25Co25Cr25Ni25高熵合金塑性损失为8%和3%,但充氢后晶粒尺寸为725 nm的Fe25Co25Cr25Ni25高熵合金延伸率提升至34%,抗拉强度从892 MPa提高到912 MPa,具有良好的强度和塑性平衡。充氢前后Fe25Co25Cr25Ni25高熵合金的断裂模式都是微孔聚集的韧性断裂,微孔尺寸分析表明氢促进了晶粒尺寸为40μm和4μm的Fe25Co25Cr25Ni25高熵合金微孔形核,但同时阻碍了微孔的生长和聚结,导致微孔尺寸从微米级减小至纳米级;氢对晶粒尺寸为725 nm的Fe25Co25Cr25Ni25高熵合金微孔没有影响,并且在晶粒内部形成更高密度的退火孪晶界,这些晶界赋予了Fe25Co25Cr25Ni25高熵合金优异的抗氢脆性能。
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