放电等离子烧结制备含HfCr难熔高熵合金的结构和性能研究

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高熵合金(HEAs)由于其独特的成分设计理念、简单的相结构组成以及优异的力学、耐腐蚀、耐氧化等性能,并在实践生产当中具有巨大的潜在应用,从而得到学者们的广泛关注和研究兴趣。难熔高熵合金(RHEAs),主要由Mo、W、Cr、Ta等难熔金属元素组成,在高温应用方面具有高强度和抗软化等优势。本课题选取了难熔元素中原子半径最大的Hf以及半径最小的Cr元素作为基体主元,设计了HfCrVWMox(x=0,0.2,0.6,1)和HfCrNbTaM(M=Al,Mo,Ti)系列RHEAs。通过机械合金化研究了RHEAs随球磨时间微观组织和形貌的演化过程,并利用放电等离子烧结的工艺获得了具有较高相对密度、明显金属光泽和优异性能的RHEAs块体。本课题利用X射线衍射仪、扫描电镜、透射电镜、静水天平、维氏硬度计、MTS万能试验机、热重分析仪、电化学工作站等测试手段,分别对球磨粉末以及烧结块体的物相组成、微观形貌以及合金块体的密度、显微硬度、力学性能、耐氧化性以及耐蚀性能进行测试分析,同时也探讨了成分调控对RHEAs结构和性能的影响,其主要结论如下:1.机械合金化HfCrVW(Mo0)、HfCrVWMo0.2(Mo0.2)及HfCrVWMo0.6(Mo0.6)RHEAs的球磨产物为单一的W-type体心立方(BCC1)固溶体相,而Mo1的相结构转变为Mo-type BCC2固溶体。当Mo含量增加至一定数量时,由于其较高的熔点以及与其它主元之间较正混合焓的共同作用Mo的合金化速率最慢,易在晶格中充当溶剂,从而诱导Mo-type固溶体的形成。Mo0 RHEA烧结产物为W-type BCC1、FCC和BCC3固溶体相以及少量化合物;而含Mo样品的烧结产物只包括FCC和BCC3固溶体相以及少量化合物,且Mo1合金成分分布更加均匀。四种烧结样品的相对密度均达到了97.0%以上,显微硬度高达1050.00 HV以上,尤其是Mo0 RHEA的显微硬度最高为1184.00 HV。基体中纳米尺度晶粒(约100 nm)的均匀分布,使得Mo0.6.6 RHEA的最大抗压强度(σb)值达到499.69 MPa。动电位极化曲线测试表明,烧结样品都表现出了明显的阳极活化行为和较宽的钝化平台。Mo1具有最正的腐蚀电位(Ecorr)、最小的腐蚀电流(icorr)和较宽的钝化区(ΔE),表现为优异的综合耐蚀性;Mo0的钝化平台最平稳且ΔE最宽,而表现为优异的耐点蚀性。Mo的添加减少了WO3在钝化膜中的含量,使得样品表面点蚀坑增加,进而削弱了体系的耐点蚀性。2.HfCrNbTa RHEA的球磨产物为单一的Ta-type BCC相,且球磨时间达到100 h,颗粒尺寸细化至1μm,成分也更加均匀。烧结产物为FCC固溶体相和少量化合物,块体结构致密(95.1%)且无明显的缺陷。由于富Ta和Nb硬质析出相的均匀分布,该样品平均硬度达到1285.35 HV,σb为962.35 MPa,基体上均匀分布的Laves相纳米颗粒(<100 nm)也有明显的强化作用。在1000°C保温120 min后,合金的氧化增重(ΔM)为18.8 mg/cm2。动电位极化曲线测试显示,HfCrNbTa RHEA的icorr为7.81×10-66 A/mm2,Ecorr为-1.31 V,ΔE为2.38 V,与四元Mo0 RHEA相比,表现为良好的综合耐蚀性。3.HfCrNbTaAl(X-Al)、HfCrNbTaMo(X-Mo)、HfCrNbTaTi(X-Ti)RHEAs的球磨产物为仍为Ta-type BCC相。经对比XRD、DSC和TEM分析得到X-Al和X-Mo粉末中还含有非晶相。对于烧结块体,Al的添加导致更多固溶体相的析出,而Mo和Ti添加后产物相对简单化,均由一种固溶体相和少量化合物组成。三种烧结样品的相对密度均达到了96.0%以上,X-Al RHEA具有最高的显微硬度,说明在更多固溶体相的强化作用下有助于硬度值的提高。X-Mo RHEA具有最高的σb(887.65 MPa),因为基体析出细小纳米颗粒(约50 nm),有更强的细晶强化作用。相比于HfCrNbTa,X-Mo的ΔM较小,X-Al初始增重较大,但逐步趋于平缓,说明易形成致密的氧化膜且能够保持稳定,而X-Ti的ΔM最大,即耐氧化性最差。动电位极化曲线测试结果表明相对其它两种烧结样品,X-Ti RHEA拥有最小的icorr(4.64×10-66 A/mm2)和最宽的ΔE(2.65 V),表现为最优异的综合耐蚀性。
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