谐波异质结构AlCoCrFeNi系多组元合金的制备、组织演化和性能研究

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传统合金性能单一,无法满足航空航天、航海、核等领域对材料的综合性能要求,多组元高熵合金拥有的优秀综合性能,例如耐高温氧化、耐腐蚀、低温韧性、耐磨、强塑性、抗辐射等,受到了金属材料领域的广泛关注和研究。因此应用高熵合金替代传统合金在高端领域进行服役是一条可行路径,高熵合金的研究具有深远意义和前景。高熵合金并不是理想中的拥有完美综合性能的合金,仍存在性能缺陷,传统合金中的强塑性矛盾同样制约着多组元高熵合金的发展,多组元高熵合金同样无法实现塑性和强度的强化平衡。需要通过一些系列强韧化手段,强化多组元高熵合金的力学性能,实现高熵合金的工业化应用,例如采用添加非金属元素、机械处理和热处理等改善高熵合金的性能缺陷,此类手段容易实现,但是其结果往往是不可控的,因此探索特定的可控的制备方法构建高熵合金的微观组织才更容易实现高熵合金的强韧化。本研究选取了AlCoCrFeNi系多组元合金体系中的具有代表性的合金(AlCoCrFeNi、AlCoCrFeNi2.1、CoCrFeNi高熵合金以及CoCrNi中熵合金)进行研究,在上述多组元合金中构筑异质结构,以达到合金强韧化的目的。采用行星球磨机将上述通过雾化制粉工艺制备的合金粉末进行机械球磨处理,细化粉末边缘晶粒,与粉末内部大尺寸晶粒构成谐波异质结构,采用放电等离子烧结工艺固化合金粉末,进行组织和性能研究。采用机械球磨将AlCoCrFeNi高熵合金粉末进行处理,构筑粉末颗粒外部晶粒细小而内部晶粒粗大的谐波异质结构,采用放电等离子烧结工艺分别在1100℃、1150℃、1200℃下固化AlCoCrFeNi高熵合金粉末。在相组成上,烧结态AlCoCrFeNi高熵合金的相组成与铸态AlCoCrFeNi高熵合金单相BCC结构有差别,与原始AlCoCrFeNi高熵合金粉末一致,均为BCC(体心立方结构)+B2(简单立方结构)+FCC(面心立方结构)相结构;在力学性能上,异质结构起到独特的背应力强化作用,烧结态的异质结构AlCoCrFeNi高熵合金的力学性能优于铸态AlCoCrFeNi高熵合金和未经过机械球磨处理的烧结态AlCoCrFeNi高熵合金,1150℃下烧结的异质结构AlCoCrFeNi高熵合金屈服强度具有最佳的力学性能,屈服强度1686 MPa、塑性为16.8%,抗压缩断裂强度为2865MPa。采用机械球磨将AlCoCrFeNi2.1高熵合金粉末进行处理,构筑粉末外部晶粒细小内部晶粒粗大的谐波异质结构,采用放电等离子烧结工艺分别在1050℃、1100℃、1150℃下固化AlCoCrFeNi2.1高熵合金粉末。在微观组织和相结构上,烧结态AlCoCrFeNi2.1高熵合金仍为共晶合金,相组成与与铸态AlCoCrFeNi高熵合金一致,均为B2+FCC相结构;在力学性能上,异质结构起到独特的背应力强化作用,烧结态的异质结构AlCoCrFeNi2.1高熵合金的力学性能优于铸态AlCoCrFeNi2.1高熵合金和未经过机械球磨处理的烧结态AlCoCrFeNi2.1高熵合金,1050℃下烧结的异质结构AlCoCrFeNi2.1高熵合金具有最佳的力学性能,屈服强度为787 MPa、塑性为41.3%,抗压缩断裂强度为2912MPa。采用机械球磨将CoCrFeNi高熵合金粉末进行处理,构筑外部晶粒细小内部晶粒粗大的谐波异质结构,采用放电等离子烧结工艺分别在900℃、950℃、1000℃下固化CoCrFeNi高熵合金粉末。在相组成上,烧结态CoCrFeNi高熵合金的相组成与铸态CoCrFeNi高熵合金一致,均为单相FCC结构;在力学性能上,异质结构起到独特的背应力强化作用,烧结态的异质结构CoCrFeNi高熵合金力学性能优于铸态CoCrFeNi高熵合金和未经过机械球磨处理的烧结态CoCrFeNi高熵合金,950℃下烧结的异质结构CoCrFeNi高熵合金具有最高的屈服强度,为382 MPa。采用机械球磨将CoCrNi中熵合金粉末进行处理,构筑外部晶粒细小内部晶粒粗大的异质结构,采用放电等离子烧结工艺分别在1000℃、1050℃、1100℃下固化CoCrNi中熵合金粉末。在相组成上,烧结态CoCrNi中熵合金与铸态CoCrNi中熵合金一致,均为单相FCC结构。在力学性能上,随着烧结温度提高,烧结态异质结构CoCrNi中熵合金的力学性能逐渐提高,屈服强度和抗拉强度都优于铸态CoCrNi中熵合金和未经过机械球磨处理的烧结态CoCrNi中熵合金,但塑性受到烧结颗粒间结合力限制,远低于铸态CoCrNi中熵合金,1100℃下烧结的异质结构CoCrNi中熵合金性能最佳,屈服强度为574 MPa、塑性为25.4%,抗拉强度为845 MPa。
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