AlxCoFeNiCr1-x高熵合金微观组织,力学性能及耐腐蚀性能研究

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高熵合金的设计理念打破了传统合金的束缚,为新型合金的设计制备提供了一种新的思路,因其优异的性能而得到国内外学者广泛关注。Al和Cr分别为构成AlCoFeNiCr高熵合金BCC相和FCC相的主要元素,并且这两种元素都易生成钝化薄膜使合金表现出较好的耐腐蚀性能。本文采用真空电弧熔炼炉制备了10种AlxCoFeNiCr1-x(0.1≤x≤1.0)高熵合金,通过使用XRD衍射仪、SEM扫描电镜、EDS能谱仪、维氏硬度计(HV-1000)、万能试验机(Instron3382)和电化学工作站(CHI660 D),对不同Al和Cr元素含量下合金微观组织和性能之间的关系进行了探讨。所得结果如下所示:(1)随着Al元素增加和Cr元素减少,铸态AlxCoFeNiCr1-x高熵合金中晶体结构从FCC相转变为FCC+BCC相,然后生成FCC+BCC/B2相,最后FCC相消失,合金由单相BCC相组成。增多的Al元素促进了BCC相形成,减少的Cr元素诱使了FCC相消失。(2)由于不同元素之间存在相互排斥或吸引作用,在Al0.7CoFeNiCr0.3合金中可以看到基质相由FCC相(富含Fe,Cr)向BCC相(富含Al,Ni)转化,沉淀相由BCC相变成FCC相。FCC相合金延展性良好、强度较低,BCC相合金相反。在Al0.7CoFeNiCr0.3和Al0.8CoFeNiCr0.2合金中观察到由FCC相和BCC/B2相构成的丝网状编织结构,发现该结构存在平衡了合金强度和延展性,显微硬度和屈服强度分别可达到了386.5HV和1294Mpa,延伸率保持为24.8%。(3)通过对合金在3.5%的NaCl腐蚀溶液中耐腐蚀性能分析,在单相FCC相或者BCC相合金中,添加较大半径Al元素减少Cr元素,合金内部晶格畸变能增大,缺陷增多,导致合金耐腐蚀性能变差。对于具有FCC+BCC的双相合金,由于腐蚀热电偶作用,偏析相体积分数越多,合金耐腐蚀性能越差。铸态AlxCoFeNiCr1-x合金动电位极化曲线上可以看到明显的间歇性钝化区域,暗示了上述合金具有较好的耐腐蚀性能。在上述研究的基础上,选取综合性能良好的双相Al0.6CoFeNiCr0.4高熵合金作为研究对象,对不同退火温度下合金的显微组织、力学性能和耐腐蚀性能进行了分析。(4)随着退火温度从550℃上升到850℃,合金的晶体结构从FCC+BCC相转变为FCC+BCC/B2相,最后变成FCC+B2相。在树状FCC相的晶界处和枝晶间可以观察到粗化BCC相。(5)在650℃退火的双相Al0.6CoFeNiCr0.4合金中,部分无序BCC相偏析出大量纳米级球状有序B2相,此时合金维氏硬度和强度分别为432HV和1324Mpa。在750℃和850℃退火时,球状B2相在无序BCC相中大量形核,基质FCC相产生回字状分解结构,此时合金的力学性能主要受FCC相分解和有序B2相的共同作用,适量的分解结构可改善合金力学性能,过量分解可导致合金性能恶化。(6)550℃和650℃退火Al0.6CoFeNiCr0.4高熵合金的耐腐蚀性能高于铸态合金。随着退火温度升高,大量富含Al的B2相通过无序BCC相沉淀和FCC相分解而生成,合金耐腐蚀性能一直减弱,相比于Cr2O3钝化膜,多孔Al2O3薄膜更易受到Cl-离子侵蚀。在富含Cl-离子的腐蚀溶液中,B2相的抗腐蚀性能低于无序BCC相和FCC相。
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