Ti30Al25Zr25Nb20高熵合金组织及力学性能研究

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高熵合金具有比传统合金更多的组元以及更高的混合熵,能够形成简单固溶体,打破了材料设计中组元越多金属间化合物种类越多,力学性能反而越差的规律。因此高熵合金具有高强度、高韧性、高温稳定性、良好的耐磨性以及优异的抗辐照性能等特点,是近年来在材料领域的一个新研究热点。许多学者研究发现高熵合金在辐照后具有自我修复机制和迟滞扩散效应,因此在核包壳材料方面具有很好的应用前景。目前辐照方面相关的研究多集中在Ni、Fe、Co、Cr、Mn和Al这几种元素组成的高熵合金,且辐照试验都采用电子和离子辐照,缺少对热中子辐照性能的研究。因此,本文选取Al、Fe、Mo、Nb、Sn、Zr、Ti、Cr等八种热中子吸收截面相对较低的元素,根据高熵合金的设计原则,计算设计了15组合金,重点研究了具有单相BCC结构的Ti3 0Al25Zr25Nb20高熵合金。本文主要对Ti3 0Al25Zr25Nb20高熵合金的蠕变行为及高温压缩性能进行了系统的研究。通过纳米压痕实验讨论了峰值载荷和加载速率对该合金蠕变性能的影响;采用Gleeble热-力模拟试验机研究了不同变形温度及应变速率下的Ti30Al25Zr25Nb20高熵合金的高温变形行为。研究了不同高温变形条件对Ti30Al25Zr25Nb20高熵合金高温流变应力及显微组织的影响规律,并且基于Arrhenius模型建立了Ti3 0Al25Zr25Nb20高熵合金的本构方程。研究结果表明:(1)Ti3 0Al25Zr25Nb20高熵合金具有简单的BCC结构,在晶面(211)具有择优取向。通过连续刚度法测得Ti3 0Al25Zr25Nb20高熵合金的纳米硬度和杨氏模量分别为8.866±0.192 GPa和158.175±5.204 GPa。蠕变结果显示随着峰值荷载和加载速率的增大,蠕变位移增大,说明蠕变行为与加载速率和峰值载荷有关。且研究发现高熵合金的迟滞扩散效应及择优取向会在一定范围内提高抗蠕变性能。(2)Ti3 0Al25Zr25Nb20高熵合金具有较高的流变应力值,压缩强度和压缩塑性较好,且流变应力随着变形温度的升高或者应变速率的减小而减少。变形后枝晶组织被压扁变形,在中心区域形成了带状组织,且应变速率越快带状组织越明显。真应力-真应变曲线显示Ti3 0Al25Zr25Nb20高熵合金的变形特征为动态再结晶型,动态再结晶发生在晶界和枝晶上。经过分析计算得到Ti3 0Al25Zr25Nb20高熵合金热变形的激活能Q=307.3948 KJ/mol,该合金的高温应变Arrhenius本构方程为:(?)其中α=0.005-0.034ε+0.280ε2-1.101ε3+2.321ε4-2.470ε5+1.057ε6n=3.773-1.252ε-8.269ε2+22.461ε3-13.965ε4-7.619ε5+8.775ε6Q=231085.060+1.660×106ε-1.143×107ε2+4.158×107ε3-8.549×107ε4+9.170×107ε5-3.939×107ε6ln A=16.309+167.160ε-1178.847ε2+4405.332ε3-9203.394ε4+9942.950ε5-4282.706ε6,该结果可以为Ti3 0Al25Zr25Nb20高熵合金的热加工工艺的制定提供指导,从而改善其力学性能。
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