【摘 要】
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高熵铜合金是基于三元Cu-Mn-Ni合金固溶体系,通过在等原子比Cu Mn Ni高熵合金中逐步添加Zn、Al和Sn元素而形成一类新型高熵合金。多主元的成分组成和简单的相结构赋予了高熵铜合金优异的力学性能,使其有望取代常规铜合金成为新一代高性能结构铜材。但迄今为止,有关于高熵铜合金摩擦磨损性能的研究较少。本文以高速、重载和冲击等苛刻工况下的应用为导向,基于高熵合金固溶体相的形成原理,以Cu、Mn、N
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高熵铜合金是基于三元Cu-Mn-Ni合金固溶体系,通过在等原子比Cu Mn Ni高熵合金中逐步添加Zn、Al和Sn元素而形成一类新型高熵合金。多主元的成分组成和简单的相结构赋予了高熵铜合金优异的力学性能,使其有望取代常规铜合金成为新一代高性能结构铜材。但迄今为止,有关于高熵铜合金摩擦磨损性能的研究较少。本文以高速、重载和冲击等苛刻工况下的应用为导向,基于高熵合金固溶体相的形成原理,以Cu、Mn、Ni、Zn、Al和Sn等纯金属粉末为原料,采用感应熔炼技术制备了CuMnNi Znx(x=10,20,30和40 wt.%)、CuMnNi Alx(x=0,5,10和15 wt.%)和Cu Mn NiSnx(x=0,5,10,15和20 wt.%)等一系列高熵铜合金,系统地研究了其物相组成、显微组织和力学性能,阐明了其强韧化机理。重点研究了高熵铜合金在室温下的摩擦学性能,讨论了其摩擦磨损机理。主要结果如下:1.CuMnNi Znx高熵铜合金呈典型的树枝晶和枝晶间结构,组织均匀、微观缺陷较少。随着Zn含量提升至40 wt.%,合金由FCC相向FCC+BCC的两相转变。仅由FCC相组成的高熵铜合金中,Zn原子的固溶强化作用使合金的硬度、屈服强度、抗压强度和断裂韧性随Zn含量增加逐渐提高。BCC相的形成对CuMnNi Zn40高熵铜合金具有显著的强化作用,但降低了塑性和断裂韧性。室温下,FCC相高熵铜合金的摩擦系数较大且耐磨性差,而BCC相具有良好的减摩抗磨效果使得CuMnNi Zn40高熵铜合金摩擦系数降低至0.49左右,磨损率约减小至5.64×10-4mm3/N·m。2.CuMnNi Alx高熵铜合金中,不含Al元素的高熵合金仅由FCC相组成,具有良好的塑性和韧性,但强度较低。Al元素的添加促进了BCC相的形成,且BCC相的含量随Al元素提高而不断增加。Al元素能够显著提升高熵铜合金的硬度和强度,但不利于塑韧性。CuMnNi Al10高熵铜合金中FCC相和BCC相的含量达到最优匹配,其综合力学性能最佳。同时,CuMnNi Al10高熵铜合金具有较低的摩擦系数,磨损率仅为1.34×10-4mm3/N·m,同等条件下的耐磨性优于常规耐磨铝青铜C6161合金,具有良好的应用前景。3.在CuMnNi Al10高熵铜合金中的枝晶间区域出现了与其它高熵铜合金中明显不同的片层结构。根据该区域的EDS分析结果重新设计了Cu35Mn32Ni19Al14高熵铜合金,并研究了退火温度对其物相、显微组织、力学与摩擦学性能的影响。结果显示Cu35Mn32Ni19Al14高熵铜合金主要由FCC相和少量BCC相组成,其中FCC相是由针状晶粒堆叠而成片层结构。高温退火过程中,FCC相的晶粒尺寸随退火温度升高逐渐增大,而Ni和Al原子朝着形成BCC相的方向进行扩散,使合金在650℃和850℃退火后BCC相的含量增加。高温退火有助于提升Cu35Mn32Ni19Al14高熵铜合金的强度和硬度,但造成其耐磨性略有降低。4.Cu Mn NiSnx高熵铜合金主要由FCC+L21两相组成,Sn元素的添加促进了具有L21结构(类似B2相)的第二相形成。Sn原子对FCC相的固溶强化作用以及L21相的含量均随Sn含量提高而不断增加,使得高熵铜合金的硬度、屈服强度和抗压强度显著提升。L21相为典型的脆性结构,其含量增加不利于高熵铜合金塑韧性的改善,但L21相在摩擦过程中展现出了良好的减摩抗磨作用,Cu Mn NiSn20合金的磨损率仅为10-5mm3/N·m数量级。
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