论文部分内容阅读
航空发动机、燃气轮机、核电站等高温工业领域急需1600℃以上温度具有使用价值的新型结构材料。这一温度远高于传统镍基高温合金的熔点,必须在传统高温合金以外寻找新的高温结构材料。近年来兴起的高温高熵合金以独特的高温性能,受到科研工作者越来越多的关注,如NbMoTaW高温高熵合金在1600℃时仍具有大于400 MPa的屈服强度。然而,NbMoTaW合金室温塑性较差,不利于其工业应用。这就有必要研究在满足高温强度的前提下,提高合金室温塑性。本文以NbMoTaW合金为基础,添加难熔金属元素或非金属元素,分别设计了纯金属元素的高温高熵合金和陶瓷相增强的高温高熵合金,并通过真空电弧熔炼法制备这些合金。表征了组织、结构、力学性能等,讨论了室温强韧化机理,探究了金属和非金属元素在合金中的高温强化机理,实现了1800℃高强度合金研发,完成了超高温高熵合金制备与力学性能的研究,为设计超高温高熵合金提供理论指导和研究思路。通过Re、Hf、V、Cr、Zr、Ti元素对NbMoTaW合金进行合金化,研究等摩尔金属元素对NbMoTaW高温高熵合金组织性能的影响规律,探讨合金室温和高温强韧化机制。发现添加等摩尔Ti、Zr、Hf元素可以有效地同时提高合金的强度和塑性。1600℃压缩时,NbMoTaWHf合金和NbMoTaWTi合金的抗压强度分别为232 MPa和218 MPa,略低于NbMoTaW合金的抗压强度（243 MPa）,表现出较好的高温强度。高熔点有利于合金在1600℃下保持高强度。设计了具有高计算熔点的Mo Ta WRe合金,该合金表现出较强的抗高温软化能力,在1600℃时具有244MPa的抗压强度。此外,密排六方结构的Zr元素在提高NbMoTaW合金的塑性上具有重要作用,NbMoTaWZr1.5合金的室温抗压强度和塑性分别是2470 MPa和21.1%,分别是NbMoTaW合金的2.3倍和12.4倍。主要强化方式为固溶强化、细晶强化和第二相强化。塑性的提高由Zr的添加调节了枝晶间区域塑性、改变了断裂机理所导致。通过在NbMoTaWM（M=Ti、Zr、Hf或者不含）合金中添加非金属C、N元素,研究了等摩尔NbMoTaWMC合金和NbMoTaWMN合金的组织性能,讨论了等摩尔非金属C、N元素在NbMoTaWM合金中的作用规律。添加等摩尔C元素后,合金中生成了FCC相,显微组织为相间分布的细小片层状组织,合金的强度和塑性均显著提高。其中,NbMoTaWC合金室温抗压强度约为2706 MPa,是NbMoTaW合金抗压强度的2.5倍。添加N元素后合金中会生成氮化物相,合金晶粒尺寸变小,强度和塑性显著提高。其中,NbMoTaWHfN合金室温抗压强度约为2099 MPa,是NbMoTaW抗压强度的1.9倍。通过调节（NbMoTaW）100-xCx合金中C元素含量,研究C元素含量对合金相分布、组织、性能的影响规律,从而调控合金综合室温力学性能,讨论了合金的强韧化机理,研究了NbMoTaWC合金在超高温的力学性能及强化机理。含碳量为10%～20%时（NbMoTaW）100-xCx合金的综合力学性能较好。室温主要强化方式为细晶强化和第二相强化。室温塑性的增加由晶粒细化所导致。通过酸腐蚀的方法,去除掉NbMoTaWC高温高熵合金中的BCC相,单独研究了剩余FCC相骨架的微观结构,发现FCC相是高熵碳化物陶瓷相,从而证明（NbMoTaW）100-xCx合金是由BCC结构的高熵合金相和FCC结构的高熵陶瓷相组成的高熵复合材料。NbMoTaWC合金在1600℃压缩屈服强度和抗压强度分别是554 MPa和585 MPa,是相同条件下NbMoTaW的2.4倍。NbMoTaWC合金在1800℃压缩屈服强度和抗压强度分别是262 MPa和291 MPa。NbMoTaWC合金在高温下的高强度是高软点、细晶强化、第二相强化的共同作用结果。通过调节NbMoTaW（HfN）x合金中Hf、N元素含量,研究氮化物对合金分布、组织、性能的影响规律,从而调控综合室温力学性能,讨论了NbMoTaW（HfN）x合金的强韧化机理,研究了NbMoTaWHfN合金在超高温的力学性能及强化机理。NbMoTaWHfN合金的室温抗压强度是NbMoTaW合金的1.9倍。室温主要强化方式为细晶强化、弥散强化、固溶强化。NbMoTaWHfN合金在1800℃压缩屈服强度和抗压强度分别是288 MPa和316 MPa,强度比NbMoTaWC合金略高。NbMoTaWHfN合金在高温下的高强度是高软点、细晶强化、弥散强化的共同作用结果。NbMoTaWC和NbMoTaWHfN合金中的陶瓷相在高温时稳定存在并引起晶粒细化,是其在超高温时仍保持高强度的重要原因。NbMoTaWC和NbMoTaWHfN合金具有良好的室温强塑性和高温高强度,力学性能优于目前见于报道的高温高熵合金,非常有希望作为结构材料应用在超高温领域。该论文有图88幅,表20个,参考文献181篇。