Fe-Co-Cr-Ni基间隙固溶强化型高熵合金的设计、强化机理及性能研究

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近年来,随着材料基因组工程的发展,机器学习的应用为具有优异性能的高熵合金的设计开发提供了新的方法和思路,同时计算相图(CALPHAD)方法对材料设计和开发的指导作用越来越被人们所认可,在很大程度上可以缩短新材料的开发周期,降低了研发成本。高熵合金具有一系列优异的性能,展现出广阔的应用前景,而在高熵合金中添加间隙原子使合金形成间隙固溶体,特别是C元素和B元素的加入对金属材料的力学性能起着非常重要的作用。本研究通过机器学习对Fe-Co-Cr-Ni体系高熵合金的硬度和抗拉强度进行预测以获得的具有较好综合力学性能的基体高熵合金Ni35Fe20Co20Cr11Al7Ti7,并对其开展实验验证。同时采用CALPHAD方法对在基体高熵合金Ni35Fe20Co20Cr11Al7Ti7中加入间隙元素(C和B)后其相组成及其体积分数随温度变化进行初步预测,进而系统的研究间隙原子(C和B)对高熵合金Ni35Fe20Co20Cr11Al7Ti7的微观结构、拉伸性能、摩擦磨损性能、电化学腐蚀性能以及高温氧化性能的影响,主要结论如下:(1)基于机器学习模型的预测,迭代优化筛选获得了具有较好综合力学性能的Ni35Fe20Co20Cr11Al7Ti7高熵合金,且CALPHAD计算结果和试验结果都表明合金由FCC、L21和L12相组成,试验结果与计算结果具有较好的一致性;(2)间隙原子(C和B)含量对Ni35Fe20Co20Cr11Al7Ti7高熵合金微观结构的影响:不含间隙原子的基体合金由FCC、L21和L12相组成,随着间隙原子(C和B)的加入,高熵合金中生成了MC碳化物相和MB2硼化物相,与此同时,间隙原子固溶进入基体中,使其产生晶格畸变,衍射峰有向左偏移的趋势;均质化和时效处理后的高熵合金相同,Ti、B和C元素主要沿着晶界处富集分布,其他元素主要均匀分布在基体中,在晶界处含量较少;晶界处有大量Ti C和Ti B2硬质相形成,在晶界处起“钉扎”作用,从而起到强化晶界作用,提高合金的力学性能;(3)间隙原子(C和B)含量对Ni35Fe20Co20Cr11Al7Ti7高熵合金摩擦磨损性能的影响:随着间隙原子含量的增加,合金的硬度均是先增加后降低,磨损率先降低后增加,磨损率与其硬度成反比关系。当C含量为0.1 at.%和B含量为1.0 at.%时,合金的耐磨性最好,磨损机制以磨粒磨损和粘着磨损为主;(4)间隙原子(C和B)含量对Ni35Fe20Co20Cr11Al7Ti7高熵合金电化学腐蚀性能的影响:在3.5 wt.%Na Cl溶液中,随着间隙原子含量的增加,高熵合金的腐蚀电位Ecorr和腐蚀电流密度Icorr变化不大,当B含量为2.5at.%时,合金的电化学腐蚀性能最差;(5)间隙原子(C和B)含量对Ni35Fe20Co20Cr11Al7Ti7高熵合金高温氧化性能的影响:在不同温度下高温氧化80 h后,合金表面形成的氧化层厚度随着间隙原子含量的增加先减小后增大,氧化层由最外层的Ti O2和Fe2O3以及内层的Cr2O3和Al2O3组成,氧化层结构分布较均匀。各个温度下氧化层厚度随着间隙原子含量的变化规律相似,并且与氧化动力学曲线相符合。当C含量为0.1 at.%和B含量为2.5 at.%时,合金的高温氧化性能最好。本研究表明,在Fe-Co-Cr-Ni基中的Ni35Fe20Co20Cr11Al7Ti7高熵合金中加入间隙原子(C和B)的间隙固溶强化方法是有效的强化方法,可进一步提高高熵合金的性能。
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