高熵块体非晶合金的晶化、磨损与蠕变行为研究

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高熵非晶合金兼具非晶合金和高熵合金两类先进金属材料的特性,有望应用于航空航天、微机电系统等诸多领域。但这类材料的发展历程较短,目前对这类材料的研究相对较少且不深入。本文以Ti Zr Hf Be Cu(Ni)高熵块体非晶合金(HE-BMG)为研究对象,选择经典锆基块体非晶合金(BMG)vit-1(Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5)做为对照,针对晶化行为、磨损行为和蠕变行为等服役过程中值得关注的问题进行研究,主要研究内容和结论如下:采用差示扫描量热仪(DSC)研究了Ti20Zr20Hf20Be20Cu20-xNix(x=0,10,20)高熵非晶合金的非等温和等温晶化动力学行为,发现连续升温条件下高熵非晶合金具有复杂的多步晶化行为,随着Ni含量的增加,合金的玻璃转变温度提高,但过冷液相区间变窄。Ni的添加还提高了Ti Zr Hf Be Cu合金第一晶化峰的晶化激活能,促进晶化过程中更多种类晶态相的析出,使晶化过程进行的难度增加,有助于提高合金的非晶形成能力。基于Avrami因子分析了Ti20Zr20Hf20Be20Cu20-xNix(x=0,10,20)高熵非晶合金的晶化机制。三组高熵非晶合金析出相的生长方式均为扩散控制的三维生长。随着Ni含量的增加,高熵效应对晶化过程的影响愈加显著。采用纳米划痕研究了Ti20Zr20Hf20Be20Cu20-xNix(x=0,10,20)高熵非晶合金和vit-1非晶合金的纳米划痕行为,发现划痕速率对Ti Zr Hf Be Cu(Ni)高熵非晶合金和vit-1非晶合金纳米划痕行为的影响不明显。高熵非晶合金的抗磨损性能优于vit-1非晶合金,高熵效应有助于形成原子紧密堆垛结构,从而提高合金的硬度和耐磨性。采用Ni元素部分替换Cu元素能进一步提高Ti Zr Hf Be Cu非晶合金的室温蠕变抗性。基于摩擦系数COF的变化,研究了划痕中的材料流动和变形机制,发现Ni的添加改变了划痕过程中材料的去除机制。采用纳米压痕研究了TiZrHfCuBe(Ni)高熵非晶合金和vit-1非晶合金的室温蠕变性能。基于Kelvin模型对所研究合金的室温蠕变曲线进行拟合,分析了应变速率敏感性、蠕变柔量和蠕变延迟谱。发现高熵非晶合金具有优于传统单一主元非晶合金的室温蠕变抗性,揭示了高熵效应对非晶合金室温蠕变抗性的影响机制。采用Ni元素部分替换Cu元素能显著提高Ti Zr Hf Be Cu非晶合金的室温蠕变性能,主要归因于Ni元素的添加使合金的混合熵增加,同时还提高了合金的杨氏模量,从而导致了合金蠕变抗性的提高。
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