CrMnFeCoNi高熵合金的粉末冶金制备工艺与性能研究

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高熵合金的出现为人们开辟了一条全新的设计合金的途径。作为其中的代表,等原子比Cr Mn Fe Co Ni高熵合金由于其良好的强塑性配比而获得广泛关注。而铸态Cr Mn Fe Co Ni高熵合金存在的偏析、缩松、元素挥发等缺陷,本文通过结合高能球磨和真空热压烧结的粉末冶金工艺制备多相Cr Mn Fe Co Ni高熵合金,并研究其合金化进程、物相组成及演变、力学性能、组织结构以及强化机制和变形机制。此外,对其进行热模拟实验来探究其高温下的物相演变、组织结构及力学性能。通过20-40小时(梯度为5小时)的高能球磨制备了单相FCC高熵合金粉末,粒径分布中位数大约在30μm,并且晶粒尺寸细化到5 nm左右,其熔点约为1350℃。1000℃烧结后形成含有FCC相、BCC相以及沉淀的纳米级σ相颗粒的块高熵合金,且致密度普遍达到98%以上,且维氏硬度均在390 HV左右。室温拉伸屈服强度维持在1150 MPa,极限强度维持在1300 MPa,延伸率在5%左右。室温压缩屈服强度均为1200 MPa,极限抗压强度为2650 MPa,压缩应变保持在45%。随着烧结温度从1223 K升高至1373 K,块体合金晶粒从0.48μm长大至1.10μm,同时纳米级σ相和BCC相的数量以及密度减小,且维氏硬度从403 HV下降至313 HV;合金的室温拉伸屈服强度从1250 MPa降低至700 MPa,极限强度从1300 MPa降低至1060MPa,延伸率从4%增加至13%。合金的理论屈服强度计算结果表明合金在屈服之前的强化机制主要是晶格摩擦应力、细晶强化和沉淀强化,并且细晶强化所占贡献要大于沉淀强化。当合金进入塑性变形阶段之后,强化机制主要为细晶强化、沉淀强化和孪晶强化。显微结构表征显示,纳米级颗粒的形成和变形孪生体在提高应变硬化能力方面发挥了关键作用。延长球磨时间促进了沉淀相的形成,并通过增加沉淀颗粒的数量提高了应变硬化能力。应变硬化能力随着烧结温度的升高而明显增加,这是因为晶粒粗化和σ相颗粒数量的减少导致了孪生能力的显著增强。位错的平面滑移是主要的变形机制,但当达到临界孪生应力时,孪生作为一种辅助的变形机制出现。尽管沉淀物的形成导致了晶界和沉淀强化效应,但由于BCC相的析出导致周围的晶界脆性增加,裂纹的萌生更为剧烈。裂纹在界面处萌生是一个突出性的矛盾,必须与沉淀强化相协调。热处理实验表明,合金能在700℃下较长时间退火后保持同样的硬度,并且在900℃退火时硬度出现上升,直至1100℃退火后硬度才出现明显下降。热模拟结果表明,合金的流变应力随变形速率的增加和变形温度的降低而显著升高。HPS35高熵合金经过热机械处理后,维氏硬度的变化主要是受析出相含量以及晶粒发生动态再结晶影响晶粒尺寸共同影响。大多数情况下合金的动态回复再结晶和沉淀相的析出与重溶达到平衡,硬度保持在同粉末冶金态相同的390 HV。
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