高熵合金主元元素的作用探讨

合金的性能首先取决于材料的组元,这是材料的基因,准确设计合金元素对材料力学性能的相应变化是建立成分-结构-性能关联性的关键环节。本文从高熵合金概念出发,综述了高熵合金的有关研究文献,详细介绍了多种常用高熵合金元素的功能作用,总结了主元元素对高熵合金组织和性能的影响,展望了高熵合金未来的发展趋势,以期对高熵合金开发和应用提供有益参考。

Mo_(2)C添加量对YG6细晶硬质合金组织结构及性能的影响

采用传统粉末冶金方法制备了不同Mo_(2)C添加量的YG6细晶硬质合金。通过对合金显微结构的观察及物理力学性能的检测,研究了Mo_(2)C添加量对YG6细晶硬质合金组织结构及性能的影响。结果表明:随着Mo_(2)C添加量的增加,合金中WC晶粒度逐渐细化并趋于稳定。当合金中Mo_(2)C添加量超过3.5%时,Mo_(2)C对WC晶粒形貌具有球化作用。另外,添加Mo_(2)C会降低合金致密度,合金矫顽磁力随Mo_(2)C含量的增加而逐渐增加。Mo_(2)C添加量为5.0%时,合金综合力学性能最好,其硬度达92.7 HRA,抗弯强度为3 600 MPa,磨粒磨损值为0.81 cm^(3)/(10^(5)r)。

添加氧化镧对钼铼合金组织性能的影响

采用粉末冶金技术在钼铼合金中添加氧化镧制备了ODS-Mo-14Re,通过EBSD、XRD、维氏硬度计、电子万能试验机对氧化镧添加前后钼合金管材的显微结构、室温与高温力学性能进行了分析。结果表明,适量氧化镧的添加可以对钼铼合金起到很好的细晶强化与弥散强化作用;添加0.3%(质量分数)氧化镧使得钼铼合金的平均晶粒尺寸由22.6μm降低至7μm;氧化镧作为细小弥散的第二相添加在钼铼合金中,使晶粒内部位错密度增多,位错相互缠结,运动被阻碍,从而使钼铼合金的强度及塑性明显提升,弥散强化效果显著。室温和高温(1 300℃)拉伸时,Mo-14Re的抗拉强度为725.8、195.3 MPa,而ODS-Mo-14Re的抗拉强度达780.9、226.4 MPa,分别提升了7.6%和15.9%,表明氧化镧的添加使钼铼合金的室温以及高温力学性能得到明显提高。

WC-Ni基硬质合金的基础研究进展

WC-Ni基硬质合金可应用在磁性材料成形模具和核主泵机械密封关键部件等极端工况领域。由于材料体系的本征特性,WC-Ni基硬质合金的高性能化和质量稳定性控制一直面临挑战。两相区碳窗口、固液转变温度、液相烧结过程中的润湿行为,以及合金组元在黏结相中的固溶特性,是硬质复合材料成分及其制备工艺设计的关键参数。本文以制备工艺体系最完善的WC-Co基硬质合金为参比对象,从上述4个方面对WC-Ni基硬质合金的本征特性及其研究进展进行综述,旨在强化对WC-Ni基硬质合金本征特性的理解,为高性能WC-Ni基硬质合金新材料高效开发提供参考。

WC-Ni基硬质合金微观结构和物理力学性能调控研究进展

WC-Ni基硬质合金用作磁性材料成形模具、核主泵机械密封关键部件以及磨蚀性服役工况耐磨零件独具优势。由于材料体系的本征特性,与WC-Co合金相比,在黏结金属含量相同和合金晶粒度相近条件下,WC-Ni基合金强度、硬度和韧性均明显较低,高性能化面临挑战。本文对WC-Ni三元合金和含其它合金组元WC-Ni基合金的微观结构和物理力学性能调控,以及含Ti板状晶WC-Ni基合金的研究进展进行综述,旨在奠定高性能WC-Ni基硬质合金新材料高效开发的基础。

硬质合金材料加工研究进展

硬质合金材料具有硬度高、强度高、化学稳定性强、冲击韧性高以及耐磨性好等优异材料特性,是现代工业生产以及新技术开发等领域中具有良好发展前景的工具材料和结构材料。但硬质合金材料的高脆性、低断裂韧性等缺陷使得硬质合金的机械加工性能非常差,成为其发展的重大阻碍,并且硬质合金加工表面易产生裂纹和凹坑,使工件表面质量下降并且影响加工性能,是典型难加工材料。本文对硬质合金的分类、性能及切削加工特点进行分析,并对硬质合金材料的加工研究现状和各种加工工艺方法的优缺点、发展趋势、存在问题及其对硬质合金表面质量的影响进行研究总结,以期为精密高效加工硬质合金提供参考依据。

Mo添加对WC-Ni硬质合金微结构及性能的影响

采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和性能检测等方法研究了不同Mo添加量对WC-Ni-Mo硬质合金的WC粒度、硬度、摩擦磨损和耐腐蚀性能的影响。结果表明:在研究的成分范围内(w(Mo)=1.5%~2.0%),WC的平均晶粒尺寸基本不随Mo添加量的变化而变化;随Mo添加量的增加,WC-Ni-Mo硬质合金的硬度略微有所下降,而摩擦磨损性能得到提升。Mo质量分数为2%的WC-Ni-Mo硬质合金在酸性溶液中的耐腐蚀能力要高于Mo质量分数为1.5%的合金,并且具有更好的电化学稳定性。总体来看,WC-8.0%Ni-2.0%Mo合金的综合性能优于WC-8.5%Ni-1.5%Mo硬质合金。

粉末冶金法制备高熵合金黏结相硬质材料研究进展

传统硬质材料黏结相Co在高温下易软化是限制其应用的重要因素,高熵合金的开发弥补了这一缺陷。高熵合金是由多种金属元素形成的固溶体,与Co相比进一步改善了硬质材料的耐磨性、耐腐蚀性和抗氧化性能,在切削加工领域具有广阔的应用前景,逐渐成为金属材料的研究热点。本文对近年来粉末冶金法制备高熵合金黏结相硬质材料的研究进行综述,具体包括硬质材料基体、高熵合金粉末制备方法、高熵合金硬质材料的烧结方法和高熵合金对硬质材料的影响机制,并对存在的不足进行总结与展望。

Co含量对Co_(x)Cr_(25)(AlFeNi)_(75-x)高熵合金组织和力学性能的影响

针对FCC基TRIP高熵合金屈服强度较低的问题,设计并制备了Co_(x)Cr_(25)(AlFeNi)75-x合金体系,实现了B2相的沉淀强化与FCC-HCP形变诱导相变的协同.利用热力学模拟与实验相结合的方法,探究了Co含量对于合金体系组织和力学性能的影响.结果表明:随着Co含量(原子数分数,下同)的增加,合金中析出的B2相逐渐减少,从而导致其屈服强度下降;Co_(45)Cr_(25)Al_(10)Fe_(10)Ni_(10)合金的屈服强度约为850 MPa,而Co_(57)Cr_(25)Al_(6)Fe_(6)Ni_(6)合金的屈服强度下降到不足500 MPa.此外,随着Co含量的增加,Co_(51)Cr_(25)Al_(8)Fe_(8)Ni_(8)和Co_(57)Cr_(25)Al_(6)Fe_(6)Ni_(6)合金在拉伸过程中均发生了形变诱导的FCC-HCP型马氏体相变,这使得它们拥有接近50%的良好塑性.

高熵合金的制备方法及研究现状

针对高熵合金的化学成分、力学性能和近年来的研究进展进行了综述,对比了真空熔炼法、机械合金化、磁控溅射法、电化学法及激光增材制造等高熵合金的制备方法,并总结和展望了这些制备方法的研究现状和方向。

激光冲击+机械喷丸复合强化对铆接件微动疲劳性能的影响

研究机械喷丸、激光冲击+机械喷丸复合强化2种表面强化技术对铝合金铆接构件微动疲劳行为的影响。利用微动磨损实验机、疲劳实验机、X射线衍射仪、激光共聚焦显微镜、场发射扫描电镜等设备,测试表面强化技术对铝合金表面完整性、耐磨性、疲劳性能和微动损伤特征的影响。结果表明:机械喷丸、激光冲击+机械复合强化均可提升铆接件微动疲劳性能,机械喷丸提高12倍,复合强化提升5.4倍。表面强化处理改变疲劳裂纹源位置,原始件裂纹萌生于铆接件圆孔30°左右,喷丸强化后裂纹在圆孔接近90°位置萌生。复合强化的残余压应力层深度为1.00 mm,远大于机械喷丸的0.25 mm。总体上,复合强化效果不理想,这是由于激光冲击技术不便于在小尺寸的铆接孔实施,同时强化过程连接孔变形,影响服役性能。

高熵硬质合金WC-AlCo_(0.4)CrFeNi_(2.7)的制备及表征

以气雾化法制备的AlCo_(0.4)CrFeNi_(2.7)高熵合金粉末和碳化钨(WC)分别作为粘结相和硬质相,采用放电等离子烧结制备高熵硬质合金,研究了粘结相含量和烧结温度对硬质合金的微观结构和力学性能的影响。结果表明,粘结相占比为10%(质量分数)经1300℃烧结的高熵硬质合金具有最佳力学性能,硬度和断裂韧性分别为1575HV_(30)、9.2 MPa·m^(1/2)。相对于粘结相含量对合金性能的影响,烧结温度的影响效果更显著;两者分别通过影响WC晶粒大小、相对密度以及有害的脆性金属间化合物的生成来影响高熵硬质合金的力学性能。

基于SLM的髋臼杯多孔结构设计与力学性能分析

目的获得长期稳定性更优的医用多孔髋臼杯。方法利用三周期极小曲面方法设计出更适合应用于髋臼杯的多孔结构,采用选区激光熔化方法进行加工成形。对样件进行测量得到其力学性能参数。对得到的弹性模量、屈服强度进行分析,得出不同结构的变形模型及设计参数对多孔结构力学性能的影响,选择力学性能和生物相容性均符合髋臼杯多孔需求的一组多孔结构。结果制造出的多孔结构弹性模量为3.27~7.44 GPa,屈服强度为164.84~407.21 MPa。试验结果表明,TPMS设计的多孔结构力学性能优良,除了70%与75%孔隙率的P结构之外,均可以在力学性能上满足髋臼杯的制造。从变形模式看,P结构变形模式以拉伸为主,G结构与D结构为混合模式变形。其中,G结构设计参数对多孔样件的力学性能影响最大。结论得到最适合制造髋臼杯多孔结构的是TPMS的G结构,并将G结构应用于髋臼杯的三维模型中。

过计量比Zr-Ti-V合金的组织与吸氢性能

采用真空电弧熔炼制备ZrTi_(0.2)V_(x)(x=2.8,3.3)合金,随后进行均匀化退火处理。研究过计量比对合金的相组成、显微组织、吸氢性能及氢化产物的影响,并分析其影响机制。结果表明:均匀化退火处理可增加Laves相、减少V-BCC相、消除α-Zr相。V-BCC相含量随计量比的增大而增加。两种合金均能快速吸氢,在几十秒内达到基本饱和,吸氢速率差异不大。ZrTi_(0.2)V_(3.3)合金的压力-成分-温度(pressure-composition-temperature,PCT)曲线更加倾斜,吸氢量更低。ZrV_(2)H_(4.5)和VH_(0.81)是饱和吸氢后的主要氢化物。Laves相氢化物占比更高是ZrTi_(0.2)V_(2.8)合金具有更高吸氢性能的主要原因。

以高熵合金作黏结剂制备硬质合金的现状

自20世纪初问世以来,硬质合金一直是重要的工程材料。采用高熵合金替代Co作黏结剂能提高硬质合金的硬度和耐磨性并降低生产成本。综述了近年来采用高熵合金作黏结剂制备硬质合金的进展,包括制备以高熵合金作黏结剂的硬质合金的碳化物WC和TiC,放电等离子烧结、自蔓延高温合成、真空烧结和热压法等以高熵合金作黏结剂的硬质合金的制备工艺,以及用高熵合金黏结的硬质合金的力学性能、抗高温氧化性能、耐磨性能和耐蚀性能。

第二相成分改性硬质合金的研究进展

系统地论述了第二相成分改性硬质合金的研究进展,介绍了在碳化钨(WC)基硬质合金中添加第二相元素或化合物成分改性硬质合金的作用机理、改性剂种类及力学性能,并分析总结了掺杂第二相对硬质合金力学性能的提升机制。不同种类和含量的添加剂成分改性硬质合金作用效果不同,分类对比了不同添加剂和制备方法对硬质合金力学性能的影响,结果表明硬质合金的综合力学性能主要与晶粒细化程度和显微界面结构有关,添加的第二相能够与WC基体形成一定的配位结构,有效抑制WC晶粒生长,从而使合金性能获得提升。最后总结了当前第二相成分改性硬质合金的发展瓶颈和仍待解决的问题。

WC-Ni基硬质合金的光固化增材制造

采用光固化增材制造(3D打印)技术制备WC-Ni基硬质合金,研究了浆料配比和增材制造工艺参数对浆料流变性能和固化性能的影响以及WC-Ni基硬质合金的性能。结果表明:当浆料固含量为40%(体积分数)、分散剂为ZN-1344且加入量为粉体质量的2%时,WC-Ni浆料的流变性能满足增材制造工艺需求,当剪切速率为100 s^(-1)时,浆料黏度为2.718 Pa·s;该浆料的最大单层固化厚度可达144μm,对应工艺参数为0.01 mm线间距、90%激光功率和2 000 mm/s扫描速度;采用响应曲面法拟合数据获得的浆料单层固化厚度计算模型,计算值与实际值误差为3.4%,可起理论预测作用;光固化增材制造WC-15%Ni硬质合金的密度和相对密度最高,分别为13.51 g/cm^(3)和96.5%,加入1%晶粒长大抑制剂Cr_(3)C_(2)后,硬质合金维氏硬度显著提高,达到945 HV_(30),接近同等Ni含量但不含有Cr_(3)C_(2)的传统硬质合金硬度。

激光粉末床熔融WC-12Co硬质合金温度场模拟

结合有限元软件ANSYS建立三维有限元热模型,利用APDL命令及生死单元方法实现对高斯热源的施加和WC-12Co硬质合金打印过程的模拟,得到WC-12Co硬质合金在激光粉末床熔融(LPBF)成形过程中的温度场分布,研究不同工艺参数(激光功率、扫描速度)对温度场分布及熔池特征的影响。结果表明:WC-12Co硬质合金在LPBF过程成形时,利用有限元能够有效模拟其成形过程。位于热源前部的等温线比尾部更为密集,温度梯度更大;而扫描路径终端边缘处熔池中心的温度最高。随着激光功率的增大和扫描速度的减小,熔池宽度、深度和长度均相应增大。通过相关实验分析不同工艺参数对晶粒尺寸的影响,发现晶粒尺寸随扫描速度的增加而减小,随激光功率的增加而增大;但过高的激光功率会引起一定的热裂纹现象发生。

激光熔化沉积Al_(x)CoCrFeNi系高熵合金的组织与性能

本工作通过激光熔化沉积技术制备了Al_(x)CoCrFeNi(x=0,0.3,0.5)系高熵合金,并研究了Al的添加对激光熔化沉积CoCrFeNi合金的物相结构、组织形貌及性能的影响规律。研究结果表明:Al_(0)与Al_(0.3)高熵合金的微观结构为单相FCC结构固溶体,而Al_(0.5)高熵合金的微观结构为在FCC相基底的晶界/枝晶界处析出富集Al、Ni原子的B2相。合金样品的拉伸力学性能表明:Al_(0.5)CoCrFeNi高熵合金的屈服强度达到了原合金的2.66倍(140~372 MPa),抗拉强度达到约716 MPa,延伸率约为40%;电化学极化曲线分析表明,Al_(x)CoCrFeNi系高熵合金在1 mol/L的H_(2)SO_(4)溶液中均具有显著的稳定钝化区,Al添加引起的致钝电流和维钝电流随着Al含量的增加呈现先减小后增大的趋势。

机器学习辅助的WC-Co硬质合金硬度预测

硬度是硬质合金材料的一项典型代表性能,受多种因素的影响且各因素间常存在关联关系.本文旨在获得WC-Co硬质合金硬度的关键影响因素并实现硬度的高通量预测.建立了以硬质合金硬度为目标变量,以原料成分、烧结工艺和烧结体表征信息为特征的数据集;通过对特征的皮尔逊相关系数和SHAP分析,发现WC晶粒尺寸和Co含量对硬质合金硬度的影响最为显著.基于机器学习的支持向量机、多项式回归、梯度提升决策树、随机森林等算法,分别构建了硬质合金硬度预测模型.采用10折交叉验证方法对模型进行定量评估,结果表明梯度提升决策树算法模型具有最高的精度和较强的泛化能力,是最适合硬质合金硬度预测的机器学习方法.基于优选模型的高通量预测数据,采用多项式回归算法确定了硬质合金硬度与Co含量和WC晶粒尺寸之间的定量关系,预测准确率达到0.946.本研究为硬质合金性能的准确高效预测提供了数据驱动方法,可为高性能硬质合金材料的设计研发提供重要参考.