AlCoCrCuFe高熵合金的组织结构与摩擦磨损性能

高熵合金突破传统合金设计思想,依靠近等摩尔比、不低于5种组元混合形成具有远低于平衡相所预测的相数和简单的固溶体结构,从而有可能冲破传统金属材料的性能极限。为了研究多主元合金元素的物相形成机理与显微组织结构对宏观摩擦磨损性能的影响,采用非自耗电弧熔炼技术制备了等摩尔比的Al Co Cr Cu Fe多主元高熵合金。用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、能谱分析仪、显微硬度计和摩擦磨损试验机测试了Al Co Cr Cu Fe合金的物相结构、显微组织与摩擦磨损性能。研究发现:Al Co Cr Cu Fe高熵合金的显微组织为典型的树枝晶,由简单的BCC相和FCC相构成,且BCC相和FCC相的各衍射峰均普遍较宽。在干摩擦条件下,Al Co Cr Cu Fe/GCr15摩擦副的摩擦系数随摩擦时间增大呈先升高后降低再稳定的过程,其磨损机制由剥层磨损向氧化磨损转变,其平均摩擦系数为0.55,质量损失率为1.44%。结果表明:晶间为Cu元素富集区域;枝晶区域为调幅分解的网格层状结构;枝晶边界附近有纳米颗粒析出。Cu元素晶间富集主要是由于Cu与其他元素的混合焓、结合能力、互溶性、熔点等差异较大引起的;枝晶区域的调幅分解层状结构则主要是因为原子尺寸因素产生的共格应力与弹性交互作用抑制了组织长大;枝晶边界附近的纳米颗粒析出则由迟滞扩散效应、金属遗传性与工艺过程所决定。BCC相和FCC相衍射峰变宽是由于各组元原子半径差较大、各元素等摩尔比存在且混合焓不同、合金内部有较大残余应力以及晶粒尺寸小范围广所致。

CeO2掺杂对AlCoCrCuFe高熵合金的组织结构与摩擦磨损性能的影响

采用熔铸法制备等摩尔比的AlCoCrCuFe高熵合金。利用X射线衍射仪、扫描电镜、能谱分析仪、显微硬度计和摩擦磨损试验机分别测试CeO2掺杂前后对其物相结构、显微组织和摩擦磨损性能的影响。结果表明:AlCoCrCuFe由BCC和FCC双相组成,合金中掺杂1%(质量分数)CeO2后引起衍射峰强度的显著提高。两种合金显微组织均为典型树枝晶,Cu与Ce元素在晶间富集,枝晶内为调幅分解组织。CeO2的加入使合金显微硬度从441.5HV增加到475.3HV,摩擦因数与质量损失率分别从0.55,1.44%降低到0.4,1.28%。

AlCoCrCuFe高熵合金的组织结构与相演变

利用真空电弧熔炼法制备了AlCoCrCuFe高熵合金。采用XRD、SEM、EDS测试了AlCoCrCuFe高熵合金的物相结构和显微组织。结果表明：AlCoCrCuFe高熵合金是由BCC与FCC混合双相组成,其显微结构为典型的树枝晶,由富Al、Co、Cr与Fe元素的枝晶区域和富Cu元素晶间区域构成,这与合金元素的混合焓、晶体结构和原子半径差有关。枝晶区域为网格层状的调幅分解组织,枝晶边界附近有纳米颗粒析出,这主要是由于原子混乱度高、原子半径差大和迟滞扩散效应所引起的。

CeO2对AlCoCrFeMn高熵合金组织与性能的影响

通过熔铸法制备了不同CeO2掺杂含量的系列AlCoCrFeMn高熵合金。采用XRD、SEM、显微硬度计和摩擦磨损实验机分别研究了CeO2掺杂对AlCoCrFeMn高熵合金物相结构、显微组织、硬度和耐磨性能的影响。结果表明:AlCoCrFeMn合金由单一的BCC相构成,CeO2含量的添加引起了衍射峰强度的提高,但并未使物相结构发生改变。随着CeO2含量的增加,合金晶粒尺寸减小,晶界更加清晰;同时在枝晶区域发现少量白色颗粒,这是由于稀土元素与其它合金元素间的性质差异较大引起的相分离现象。当CeO2含量为5%时,合金的硬度达674.2 HV、摩擦系数约为0.5,此时,硬度最大和耐磨性最好。

AlCoCrFeMnTi_x高熵合金的组织结构与力学性能

利用非自耗真空电弧炉制备了AlCoCrFeMnTi_x高熵合金。通过XRD分析、金相组织观察、SEM观察、显微硬度和耐磨性测试,研究了Ti元素含量对AlCoCrFeMnTi_x合金微观组织和力学性能的影响。结果表明:AlCoCrFeMn合金由单一的BCC相构成,随着Ti含量的增加,合金中出现了面心立方相。该合金铸态组织为典型的树枝晶结构,Ti的加入使得合金晶粒变细,且大小更加均匀。随着Ti含量的增加,AlCoCrFeMnTi_x合金的硬度最高达700 HV,同时耐磨性提高。

Ti掺杂对CoCrCuFeMn高熵合金组织结构和耐磨性的影响

高熵合金由于具有众多优异性能,有可能突破传统合金的性能极限,被认为是下一代金属材料的发展方向。CoCrCuFeMn作为一种重要的高熵合金体系,目前关于Ti掺杂对其组织结构与性能影响的报道较少。采用熔铸法制备等摩尔比的CoCrCuFeMn和CoCrCuFeMnTi高熵合金,利用XRD、OM、SEM、EDS、显微硬度计和摩擦磨损试验机分别测试Ti掺杂前后对其物相结构、显微组织和耐磨性的影响。结果表明,CoCrCuFeMn由FCC1和FCC2双相组成,Ti掺杂使其物相结构转变成BCC和HCP相的双相组织。两种合金均为典型的树枝晶结构,Cu元素在晶间富集,Mn元素的偏析系数最小。Ti掺杂并未改变合金元素的富集区域,但使所有元素偏析系数降低。Ti掺杂使合金的硬度从219.6HV提高到693.8HV,摩擦因数和质量损失率分别从0.57、4.14%降低到0.55、1.28%。Ti掺杂合金硬度和耐磨性的提高主要是由于相转变、固溶强化、细晶强化和内应力降低的综合作用所致。研究成果不仅有助于完善和丰富Ti元素掺杂对CoCrCuFeMn合金性能影响的相关理论,同时也为该合金后续的科学研究和工程应用提供理论支撑。

退火对AlCoCrFeMnTi高熵合金相组成与显微形貌的影响

为了研究退火温度对AlCoCrFeMnTi高熵合金的物相结构、显微组织及硬度的影响,分别采用X射线衍射仪、光学显微镜、扫描电镜和显微硬度计对不同退火温度下AlCoCrFeMnTi合金进行了测试。结果表明:铸态AlCoCrFeMnTi高熵合金物相结构是由bcc主相和fcc相双相组成,且其各相衍射峰普遍较宽,这是由于原子半径差较大和冷却速度快引起的晶格畸变所致。600℃退火后,合金中形成了新的hcp相,当退火温度为800℃和1000℃时,合金衍射峰的峰形并未再发生显著变化。铸态和退火后的AlCoCrFeMnTi合金均为典型的树枝晶结构,1000℃退火后的扫描电镜照片中发现了典型的调幅分解组织。合金硬度值在铸态最大,达到了750HV0.5,随着退火温度升高硬度逐步降低。在经过1000℃退火后,一方面由于合金中出现调幅分解组织,使得过饱和的原子大量析出,降低了晶格畸变程度,导致硬度下降;另一方面,由于退火温度的升高,加速了原子的扩散能力,降低了合金内部的内应力,此时合金硬度下降到604.9HV0.5。

CeO2掺杂对CoCrCuFeMn高熵合金组织结构与耐磨性的影响

利用X射线衍射仪、光学显微镜、扫描电镜、能谱分析仪、显微硬度计和摩擦磨损试验机等研究了CeO2掺杂对CoCrCuFeMn高熵合金物相结构、显微组织和耐磨性能的影响。结果表明:CoCrCuFeMn合金掺杂CeO2前后的物相结构均是由枝晶FCC1相和晶间FCC2相构成的典型树枝晶结构,Cu和Ce元素在晶间区域富集;掺杂1 mass%Ce O2后合金的FCC1相衍射峰强度和面积显著增加,FCC2相衍射峰的强度和面积有所减少,掺杂Ce O2合金的显微硬度由219.6 HV0.5增加到235.5 HV0.5,摩擦因数和质量损失率分别由0.57、4.14%降低到0.49、0.96%,这主要是由于Ce元素引起的细晶强化和固溶强化所致。