【摘 要】
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多主元合金突破了传统合金设计理念,并具有优异的力学及热电磁性能,已然受到了极大的关注。然而目前已开发的多主元合金种类有限,相关理论缺乏,其中大多数多主元合金,特别是高熵合金,塑性加工性能较差,限制了其工业化应用。本文基于多主元合金热力学设计理论并结合第一性原理和Thermo-Calc热力学软件,设计制备了面心立方CoNiFe基三主元中熵合金。系统研究了形变热处理对其组织演变和力学性能、腐蚀行为的影
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多主元合金突破了传统合金设计理念,并具有优异的力学及热电磁性能,已然受到了极大的关注。然而目前已开发的多主元合金种类有限,相关理论缺乏,其中大多数多主元合金,特别是高熵合金,塑性加工性能较差,限制了其工业化应用。本文基于多主元合金热力学设计理论并结合第一性原理和Thermo-Calc热力学软件,设计制备了面心立方CoNiFe基三主元中熵合金。系统研究了形变热处理对其组织演变和力学性能、腐蚀行为的影响,同时开展了利用晶界工程的思路调控特殊晶界的比例以提高中熵合金耐腐蚀性能的研究。在此基础上,采用大塑性变形方法制备出CoNiFe Mo0.2V0.5中熵合金丝,并研究了不同变形量对合金组织、织构及力学性能的影响。此外,利用JMat Pro热力学软件,设计开发了具有双相结构的CoNiFe Zr0.3和CoNiFe Nb0.45两种共晶中熵合金,重点研究了共晶组织的形成及其对性能的影响,特别对高温性能进行了研究。最后在CoNiFe中熵合金的基础上,利用遗传算法结合Thermo-Calc热力学计算软件设计了具有优异性能的析出强化型中熵合金,研究了析出相的形成机理及其对力学性能的影响,从而为高效开发高性能多主元合金提供参考,主要研究结果如下:锻造变形后,CoNiFe中熵合金中出现大量形变组织,导致其强度高但塑性差,而经过900℃退火处理后,由于大量的退火孪晶及变形条带等微结构的协同作用,使得CoNiFe中熵合金兼具高的强度和塑性及优异的加工硬化能力。基于晶界特征分布优化（晶界工程）的思想,通过调控热处理温度和时间,大幅增加冷轧态CoNiFe中熵合金中的特殊晶界比例来改善合金的耐腐蚀性能。发现随着热处理温度的升高和热处理时间的延长,随机高角度晶界的比例降低,低ΣCSL晶界（3≤Σ≤29）明显增加,Σ3n型晶界在特殊晶界中有重要作用,且随着低ΣCSL晶界比例的提高,合金的自腐蚀电位增加,而自腐蚀电流密度减小,耐腐蚀性能提高。通过不同方法制备了组织及力学性能具有明差异的CoNiFe V0.5Mo0.2中熵合金丝。冷轧态CoNiFe V0.5Mo0.2中熵合金丝的循环加载-卸载实验表明,随着循环加载-卸载次数的增加,{001}<110>织构的密度不断增强,抗拉强度增大,而塑性下降。其次,随着循环拉伸次数的增加,加载模量和平均模量轻微减小,而卸载模量增加。拉拔态CoNiFe V0.5Mo0.2中熵合金丝的拉伸实验表明,随着拉拔变形量增加,形变织构B{112}<111>的织构密度明显增强,而且位错密度几乎呈线性增长,从而导致拉伸强度显著增加,同时塑性下降。从以上研究表明,大塑性变形能显著提高中熵合金强度。铸态CoNiFe Nb0.45中熵合金表现为共晶组织,具有优异的室温及高温性能。在700℃温度下,该共晶合金依然保持了高抗压强度（1.2GPa）和优异的延展性（40%）。同时,该合金在室温3.5wt%的Na Cl中具有优异的耐腐蚀性,腐蚀速率仅为0.003 mm/y。在CoNiFe中熵合金基础上,基于遗传算法+Thermo-Calc热力学计算软件设计出了高强析出强化型Co25.9 Ni25.8Fe43.4Ti4.9中熵合金,该合金在BCC+FCC+Ni3Ti三相区时效处理过程中,BCC相与Ni3Ti相发生共析转变,在原FCC相晶界处析出,并沿原FCC晶内方向扩散并长大,最终趋于平衡状态,大部分的FCC相转变成BCC+Ni3Ti。该过程与钢铁中的共析转变类似,产生了由BCC与Ni3Ti片层交替构成的类珠光体片层结构,此“珠光体”片层结构对该中熵合金强化起到关键作用。
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