粉末冶金CoCrFeMnNiGd_x高熵合金的组织与性能

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高熵合金具有特殊的组织结构,常常表现出有别于传统合金的优异性能,例如高强度、高硬度、良好的塑韧性等。目前,高熵合金的研究多集中在原子半径差别不大、元素原子比例接近的合金体系,如3d过渡族元素高熵合金体系、难熔高熵合金体系等,它们大多趋于形成单相的固溶体。本文用机械合金化+放电等离子烧结的方法,在Co Cr Fe Mn Ni合金中添加少量稀土元素Gd,制备出CoCrFeMnNiGdx系高熵合金,研究Gd含量对合金显微组织、力学性能的影响,并在此基础上探讨了CoCrFeMnNiGdx系高熵合金摩擦磨损性能的变化规律。通过机械合金化的方法制备出具有单相FCC结构的Co Cr Fe Mn Ni Gd0.15高熵合金粉末,经放电等离子烧结后所得块体合金的相组成为:FCC基体相,富Gd、Ni、Mn的四方结构相和少量BCC结构的Gd2O3稀土氧化物颗粒。随着烧结温度的升高,析出相的含量和尺寸不断增加,合金的硬度、压缩屈服强度不断下降,塑性则不断上升。在900℃烧结时合金具有较好的综合力学性能,其压缩屈服强度(σ0.2)、抗压强度(σmax)、塑性变形(εp)和维氏硬度分别达到了1662 MPa、2518 MPa、30.6%和458 Hv。研究了Gd含量对CoCrFeMnNiGdx(x=0、0.05、0.1、0.15)系高熵合金机械合金化、显微组织和力学性能的影响。结果表明,Gd含量的增加延长了元素粉末完成合金化所需的时间,增加了球磨粉末内部的微观应变。当x=0.05时,在放电等离子烧结过程中合金中的析出相能有效抑制基体晶粒长大,而随着Gd元素含量的增加,析出相的尺寸长大,使得抑制作用减弱,因此x=0.05时合金的晶粒尺寸最小。含Gd高熵合金的压缩屈服强度普遍高于不含Gd的Co Cr Fe Mn Ni合金,其强化机理主要为细晶强化和第二相强化。其中x=0.1时,高熵合金具有优异的综合力学性能,其室温压缩屈服强度达到1621MPa,断裂时的塑性应变为35.4%,最大抗压强度为2685 MPa,维氏硬度为460 Hv。研究了CoCrFeMnNiGdx系高熵合金的摩擦磨损性能。随着Gd含量的增加,CoCrFeMnNiGdx系高熵合金的摩擦系数和磨损率呈先减小后增加的趋势,在x=0.05时具有最小的摩擦系数和磨损率,分别为0.46和5.08×10-4mm3N-1m-1。合金的主要磨损形式为粘着磨损和磨料磨损。随着载荷增加,Co Cr Fe Mn Ni Gd0.1高熵合金的摩擦系数在不断增加,磨损率先增加后减少。Co Cr Fe Mn Ni Gd0.1高熵合金在0.11m/s和0.22m/s的速度下摩擦时,摩擦系数变化不大,当速度增至0.33m/s时,摩擦系数有较大提高。磨损率随着滑动速度的增加而不断增加。随载荷和速度增大,该高熵合金的磨损形式由氧化剥层磨损逐步转变为粘着磨损。
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