烧结温度和保温时间对黏结剂喷射增材制造AlCoCrFeNi_(2.1)共晶高熵合金显微组织和性能的影响

AlCoCrFeNi_(2.1)共晶高熵合金具有断裂强度高、抗疲劳强度高等优点。本研究使用黏结剂喷射增材制造技术(Binder jetting additive manufacturing,BJAM)制备该合金,通过调节烧结温度(1290℃~1350℃)和保温时间(1~5 h)探究烧结工艺对该合金的显微组织及拉伸性能的影响。结果表明:烧结温度和保温时间通过影响孔隙率及晶粒大小直接影响高熵合金烧结件的性能;孔隙率的下降与晶粒长大同时发生,两因素耦合影响烧结件的力学性能。1350℃保温3 h样品的伸长率达7.09%、致密度达92.5%,1350℃保温1 h样品的屈服强度和断裂强度分别达到600.19 MPa和1021.32 MPa。

退火温度对Al-Co-Fe-Ni共晶高熵合金组织性能的影响

良好的延展性是合金成形能力的重要影响因素,尽管共晶高熵合金具有良好的铸造性能,但有限的延展性限制了其实际应用。本文采用热轧和退火工艺来克服共晶高熵合金这一问题,探究热轧后不同退火温度对Al21.5Co19.5Fe9.5Ni50共晶高熵合金微观组织和力学性能的影响。结果表明,当退火温度为700℃时,合金的断裂强度和断裂伸长率达到最优,分别为1211 MPa和14%。其优异强塑性匹配来自于热轧-700样品在拉伸变形过程中,FCC相内出现大量位错并在相界面处堆积,B2相由于相界面处的高局部应力导致应力诱发马氏体相变转变L10孪晶马氏体,合金产生了TRIP效应,使其达到最优的强塑性匹配。

热机械处理Al-Co-Fe-Ni共晶高熵合金组织性能研究

共晶高熵合金具有优异的强塑性匹配,同时还兼具传统共晶合金良好的铸造性能,对高熵合金的实际化应用有着重大的意义。而如何进一步提升共晶高熵合金的强塑性能,成为了高熵合金领域的研究热点。本文以Al-(21)Co_(19.5)Fe_(9.5)Ni_(50)共晶高熵合金为研究对象,探究了热机械处理对合金微观组织和拉伸力学性能的影响规律。并结合合金微观组织和相结构对合金应变硬化能力的影响,阐明了热机械处理条件下合金的变形机制及其对合金力学性能的影响。结果表明,经过热机械处理后合金由共晶层片组织转变为近完全等轴晶组织,且FCC相中析出L1_(2)相。热机械处理后合金在拉伸变形过程中,随着应变量的增加FCC相内位错密度增加,B2相发生应力诱发马氏体相变而形成具有相互交错孪晶结构的L1_(0)相,最终在FCC相与B2相双重强化机制下,表现出更高的屈服强度(551 MPa)和断裂伸长率(10.2%),加工硬化率曲线出现显著变化。

共晶高熵合金研究进展

共晶高熵合金是凝固过程中发生共晶转变的多组元合金,具有优异的液态充型能力和机械性能,适用于生产形状复杂、对力学性能要求较高且不能进行热机械处理的零件。共晶高熵合金具有4种及以上元素,且相组成和组织形貌对合金成分变化不敏感,因此具有很大的性能调控空间及工艺窗口。通过调控共晶高熵合金的相组成及组织形貌可使其叠加各种优异性能。本文从设计方法、制备工艺、组织结构、力学及理化性能等方面综述了共晶高熵合金的研究现状,并对共晶高熵合金未来的发展进行展望。

增材制造AlCoCrFeNi_(2.1)共晶高熵合金研究进展

AlCoCrFeNi_(2.1)共晶高熵合金具备细小、均匀、规则的片层结构,在较宽的温度(70~1000 K)和成分偏差范围内均具备良好的组织结构和强塑性兼备的力学性能,因而成为目前研究最为广泛的共晶高熵合金。本文针对增材制造AlCoCrFeNi_(2.1)共晶高熵合金,综述了不同工艺和工艺参数对该合金的微观组织和力学性能的影响,重点阐述了选区激光熔化技术制备AlCoCrFeNi_(2.1)共晶高熵合金的相分布、微观组织和强化机制。最后,指出当前增材制造AlCoCrFeNi_(2.1)共晶高熵合金相形成机理及组织演化过程中存在的分歧和不足,并提出以AlCoCrFeNi_(2.1)共晶高熵合金为基体的材料改性、增材制造高熵合金新工艺研究开发等发展方向,为推动该合金的工业化应用提供思路。

AlCoCrFeNi_(2.1)共晶高熵合金与304不锈钢扩散焊接头强化新策略

为探索共晶高熵合金潜在的工程应用,研究AlCoCrFeNi_(2.1)共晶高熵合金与304不锈钢扩散焊接头的界面组织和力学性能。扩散区由固溶体区和Fe2Al5金属间化合物区组成。不锈钢与高熵合金、高熵合金中两相之间均存在元素扩散速率差异,近高熵合金侧形成由FCC相和γ-Fe相组成的固溶体区,提高接头的剪切强度。另外,接头剪切强度先增加后减少,在980℃,60 min和30 MPa工艺参数下接头最高剪切强度为355 MPa。扩散区形成的互锁结构和局部固溶体结构协同提高接头的剪切强度。

Hf含量对CoCrFeNiHf_(x)共晶高熵合金显微组织与摩擦性能的影响

本文设计了三种不同Hf含量的CoCrFeNiHf_(x)(x=0.3、0.43和0.5)共晶高熵合金,并探究了Hf含量对CoCrFeNiHf_(x)共晶高熵合金显微组织、显微硬度与摩擦学性能的影响规律。结果表明:随着Hf含量的提高,铸态组织由亚共晶(初生γ相+γ/Laves共晶相,x=0.3)向共晶(γ/Laves共晶,x=0.43)和过共晶(初生Laves相+γ/Laves共晶相,x=0.5)演变,且合金的显微硬度随之增大。纳米压痕实验结果表明,随着Hf含量的提高,合金中初生相和共晶相的硬度均随之增大。同时,Hf含量对摩擦因数的影响较小,但磨痕深度随Hf含量的增大呈先减小后增大的趋势,且合金的磨损机制由黏着磨损向磨粒磨损转变。共晶合金CoCrFeNiHf_(0.43)表现出最佳的耐磨性,其原因是共晶合金的片层状全共晶组织在磨损过程中发生了协同变形,使得该合金在磨损过程中不易产生脆性剥落。

C合金化对AlCrFeCoNi_(2.1)共晶高熵合金微观组织和拉伸性能的影响

目的为了显著提高AlCrFeCoNi_(2.1)共晶高熵合金的室温力学性能,利用C合金化的方法研究不同碳含量对微观组织和室温拉伸性能的作用规律。方法采用电弧熔炼-滴铸方法制备了不同C含量的(AlCrFeCoNi_(2.1))-x%C(x=0、1、2、3,原子数分数)共晶高熵合金,利用XRD、SEM和EDS等手段研究了不同C含量下微观组织、相结构和拉伸性能的变化规律。结果添加C元素后,合金未形成新相,仍然由FCC相和B2相组成,但其微观组织呈现出由层片状向树枝晶转变的特征。随着C含量的增加,屈服强度和抗拉强度增大,但伸长率有一定的降低,其中(AlCrFeCoNi_(2.1))-3%C(原子数分数)合金的屈服强度可达到791 MPa,抗拉强度可达到1332 MPa,同时伸长率仍有6.1%,与AlCrFeCoNi_(2.1)合金相比,屈服强度和抗拉强度分别提高了99 MPa和296 MPa。结论该强化效果主要来源于C原子的固溶强化作用和微观结构的改变。

选区激光熔化共晶高熵合金凝固行为

采用选区激光熔化技术(SLM)制备了Fe_(23.3)Co_(25.1)Cr_(18.8)Ni22.6Ta_(8.5)Al_(1.7)共晶高熵合金,研究了工艺参数对凝固组织演化的影响。结果表明:SLM产生的高过冷度是影响共晶高熵合金组织形态变化的主要因素。通过计算共晶和枝晶生长速率与过冷度的关系,发现当过冷度∆T>129 K时,面心立方(FCC)相枝晶的生长速率将超过共晶生长,共晶高熵合金凝固组织转变为以FCC相为主的枝晶生长。共晶高熵合金FCC相生长的绝对稳定性临界速率约为850 mm/s,凝固组织主要通过树枝状生长。SLM工艺特有的热循环特征造成熔池搭接区富Ta,贫Fe、Cr,这是由于Ta元素与Fe、Cr较低的混合焓引起凝固时Ta对Fe、Cr的排斥。

共晶高熵合金的研究进展

青铜是人类历史上最早的合金,它的发明掀开了金属冶铸史新的篇章。迄今为止投入使用的实用型合金体系已达30多种,其中具备低熔点、良好流动性等特殊性质的共晶合金是应用极为广泛的一种合金,比如钢(Fe-C)、Al-Si合金、Ag-Cu合金。高熵合金被称为最近几十年来在合金化理论方面取得的三大突破之一,从理论上来说,任意选取13种常见元素就能设计出7000多种高熵合金体系,因此,与以一种元素为主的传统合金相比,高熵合金的设计空间更大。同时,研究发现,与形成复杂金属间化合物的传统合金相比较,高熵合金能够形成单一面心立方、单一体心立方或者面心立方与体心立方共存的简单微观结构,因此高熵合金表现出高强度、高耐磨性、高耐腐蚀性等优异的性能,并且控制高熵合金的成分能够改变其特定性能,从而满足不同的设计需求。综上,高熵合金具有很大的研究价值和应用空间。在共晶合金和高熵合金基础上合成的共晶高熵合金兼具共晶合金与高熵合金的成分特点,其概念一经提出就引起了学者们的广泛关注,它的出现为合金的设计与制备提供了新的思路,与传统的高熵合金相比,共晶高熵合金具有超高强塑性、耐磨性能与耐腐蚀性能等,拥有极大的研究价值。迄今为止,多种新型的共晶高熵合金已经被成功制备,学者们对卢一平教授设计的第一种共晶高熵合金AlCoCrFeNi 2.1的生长机理、强化机制等进行了深入的研究与分析。本文简要阐述了共晶高熵合金的合成,对目前共晶高熵合金的一些成果进行了综述,主要从成分设计、制备方法、性能三个方面进行了介绍,并对其发展前景进行了展望。

AlxFeCoNi2.05近共晶高熵合金组织和力学性能研究

为研究Al元素含量对AlxFeCoNi 2.05(x=0.85,0.95,1.05)近共晶高熵合金组织和拉伸性能的影响,通过扫描电子显微镜(SEM)观察合金的显微组织和断口形貌,采用X射线衍射仪(XRD)和透射电子显微镜(TEM)研究Al原子含量对晶体结构的影响。试验结果表明:在该共晶系高熵合金中,Al元素为共晶形成元素。当Al元素含量为0.95时,合金具有由层片状L12相和B2相组成的完全共晶组织,其中富含Fe和Co元素的L12相为领先相,B2相富含Ni和Al元素。当Al元素含量为0.85时,合金组织为L12初生+(L12+B2)共晶组成的亚共晶组织;当Al元素含量为1.05时,合金组织为B2初生+(L12+B2)共晶组成的过共晶组织。正是由于显微组织的差异,AlxFeCoNi 2.05(x=0.85,0.95,1.05)合金的屈服强度由650 MPa降低到450 MPa和510 MPa,而延伸率由12%大幅度增加到29%和27.5%。

定向凝固法制备高强塑性多级异构共晶高熵合金

采用定向凝固和常规电弧熔炼两种方法制备AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金。运用扫描电子显微镜、电子背散射衍射仪及拉伸试验机对两种方法制备的共晶高熵合金的显微结构、拉伸性能及其变形机制进行对比研究。结果表明:采用常规电弧熔炼法制备的AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金具有精细规则的共晶层片结构,抗拉强度为1.05 GPa,均匀延伸率为16%;采用定向凝固法制备的共晶高熵合金具有多级异质共晶结构,不仅具有更高的抗拉强度(1.16 GPa),同时展现出优良的拉伸塑性(均匀延伸率为25%)。多级异构共晶高熵合金具有更突出的协调变形和应变硬化能力,从而使其具有优异的强塑性匹配。

放电等离子烧结AlCoCrFeNi_(2.1)共晶高熵合金的组织演变与性能调控

采用放电等离子烧结(SPS)技术在恒压40 MPa下选择不同的烧结温度(900,1000,1100,1200℃)制备AlCoCrFeNi_(2.1)共晶高熵合金(EHEAs),研究温度对EHEAs致密化行为、物相组成、宏观形貌与微观组织以及不同截面力学性能的影响规律。随着烧结温度的升高,合金的孔隙缺陷逐渐消失,当烧结温度为1200℃时致密度高达99.2%.SPS烧结EHEAs的微观组织为树枝晶,物相由FCC和BCC/B2相组成,并分别分布于枝晶和枝晶间。SPS低温烧结状态下由于孔隙效应显示出压缩性能的各向异性,随着温度的升高,各向异性消失。烧结温度为1200℃时抗压强度最高可达2690 MPa,延伸率为40%.

铸态共晶高熵合金的研究进展

铸态共晶高熵合金在室温下的力学性能受到其化学成分、相组成和微观组织形貌的影响,是选用恰当的共晶高熵合金以适应于复杂服役环境的重要判据。文中通过调研近年来共晶高熵合金的相关文献,概述了共晶高熵合金的研究现状,按化学元素和共晶组织的相组成特点对共晶高熵合金进行了分类,即主要由FCC相+B2/BCC相组成的AlCoCrFeNi系、主要由FCC相+Laves相组成的CoCrFeNi-M系(M=Nb、Ta、Hf、Zr等)和其他相组成的共晶高熵合金。探讨了化学元素对微观组织的影响及其对力学性能的影响,并对共晶高熵合金的成分设计和组织性能优化进行了展望。

共晶高熵合金力学性能的研究进展

共晶高熵合金是近年发展起来的一种具有优异力学性能的新型合金,其典型的层状共晶组织一般由软质相与硬质相组成,因而共晶高熵合金可以同时具有较高的强度与良好的塑性,这一特点使其作为结构材料在工业领域拥有广泛的应用前景。本文简述了共晶高熵合金的含义与特点,归纳了该类材料力学性能与变形行为的最新研究成果,提出了关于共晶高熵合金相形成机理以及变形过程中微观组织演化等的研究还存在的缺点,并展望了其今后的发展趋势,以期为优化共晶高熵合金的力学性能提供思路。

Mo添加对Al_(19)Fe_(20-x)Co_(20-x)Ni_(41)Mo_(2x)共晶高熵合金摩擦学性能的影响

研究了Al_(19)Fe_(20-x)Co_(20-x)Ni_(41)Mo_(2x)(x=0,1,2,3,4,5)共晶高熵合金(EHEAs)的摩擦学性能。结果表明,添加微量Mo的EHEA可形成面心立方(fcc)+B2共晶组织,而添加相对较高含量Mo的EHEAs可形成fcc+B2+μ树枝状组织。Mo元素有利于提高L1_(2)相的强度和B2相的延性。然而,随着Mo含量的增加,生成的富Moμ相降低了EHEAs的强度和塑性。Al_(19)Fe_(18)Co_(18)Ni_(41)Mo_(4)EHEA具有高强度和高延展性的最佳组合。增加Mo含量可以提高EHEAs的抗氧化性。随着Mo含量的增加,EHEA在滑动过程中形成了抗氧化性增强的摩擦氧化物层,摩擦系数单调下降。本研究为Al_(19)Fe_(20-x)Co_(20-x)Ni_(41)Mo_(2x)EHEAs的摩擦学性能研究提供了指导。

Al-Cr-Nb-Ti-Zr共晶难熔高熵合金高温摩擦磨损性能研究

通过非自耗真空电弧熔炼制备了Al_(15+x)Cr_(20)Nb_(15)Ti_(40-x)Zr_(10)(x=0、13)共晶难熔高熵合金,并探究了Al和Ti元素含量变化对Al_(15+x)Cr_(20)Nb_(15)Ti_(40-x)Zr_(10)共晶难熔高熵合金相结构、微观组织、显微硬度与高温摩擦性能的影响规律.结果表明:2种合金相结构相同,均由富含Nb和Ti的B2相与富含Cr和Zr的C14 Laves相组成;但随着Al含量的增大,合金铸态组织发生了从亚共晶(初生B2相+B2/Laves相共晶相,x=0)到共晶(B2/Laves相共晶相,x=13)的转变,同时伴随着合金显微硬度的提高,并且在宽温域下的摩擦性能有所改善.随着摩擦试验温度的升高,2种合金的磨损机制均从磨粒磨损逐渐转变为以氧化磨损为主,且磨损率均呈现出逐渐降低的趋势.不同温度下摩擦试验发现完全共晶合金Al28Cr20Nb15Ti27Zr10表现出更好的耐磨性,这是由于完全共晶合金更高的硬度以及在高温下的氧化摩擦层含有更大比例的Al2O3,从而摩擦层更为致密.

形变热处理调控AlCoCrFeNi_(2.1)高熵合金组织及性能

高熵合金因兼具高强度、高韧性、高温力学性能、抗氧化、耐腐蚀等性能,近年来成为材料领域的研究热点.共晶高熵合金结合共晶合金及高熵合金的优点,使得铸造大尺寸构件成为可能.通过冷轧及退火来调控合金的力学性能,采用XRD、SEM、EDS及拉伸试验研究了共晶高熵合金经不同温度退火后组织及力学性能的变化.结果表明:合金经冷轧30%后,抗拉强度得到异常提升,但延伸率骤降.冷轧30%后在800、900、1 000℃退火,组织由部分再结晶逐渐转变为完全再结晶,且晶粒略微长大.800℃退火后存在变形的大晶粒和再结晶的小晶粒,多种强化机制协调作用,使得抗拉强度和延伸率分别为1 272 MPa、12.39%.

扫描策略对SLM AlCoCrFeNi_(2.1)共晶高熵合金开裂敏感性的影响

采用有限元仿真和试验相结合的方法从宏观分析了不同扫描路径对选区激光熔化成形AlCoCrFeNi_(2.1)共晶高熵合金试样开裂敏感性的影响。研究发现,棋盘格扫描路径具有更小的动态应力值和残余应力,其残余应变导致试样呈现“内缩外拱”趋势,而长直线扫描路径产生的残余变形导致试样上拱趋势更加明显,但上表面更加平整。另外,试验发现低能量密度下由于欠熔合引起的不规则缺陷造成的应力集中远大于由于过熔合引起的球形缺陷造成的应力集中,试样开裂敏感性随着输入能量密度的升高而逐渐降低。长直线扫描路径成形试样的裂纹自试样底部中间向上扩展并向上翘起,而棋盘格扫描路径打印的试样则自试样的对角开裂并向上翘起,与仿真结论保持一致。本文研究结果可为深入理解选区激光熔化技术成形AlCoCrFeNi_(2.1)共晶高熵合金的宏观开裂机制和推动该合金的工程化应用提供参考。

NiCoCrFeNb_(0.45)共晶高熵合金在水力机械中的抗空蚀性能研究

构建了喷射式空蚀实验装置,开展了新型共晶高熵合金NiCoCrFeNb_(0.45)的抗空蚀性能测试,利用灰度共生矩阵和二值化图像方法,开发了基于图像智能识别的空蚀损伤新型表征方法,实现了空蚀分布形态的数字化分析和空蚀局部损伤的微观评估。结果表明:NiCoCrFeNb_(0.45)的空蚀损伤机制为空泡溃灭造成的形变坑以及加工硬化造成的疲劳裂纹;NiCoCrFeNb_(0.45)的双相共晶组织包含了高硬度的Laves相和高韧性的FCC相,实现了高硬度和高韧性的平衡,相比04Cr13Ni5Mo和45钢具有更优异的抗空蚀性能;利用灰度共生矩阵提取的空蚀图像标准差、能量值和熵值等特征参数表明NiCoCrFeNb_(0.45)空蚀损伤形态分布最为简单,空蚀程度最轻;图像二值化方法可获取材料表面大规模蚀坑群的分布规律,NiCoCrFeNb_(0.45)的空蚀率为8.1%,显著低于另两种材料。该研究为水力机械的空蚀损伤评估及材料防护提供了新的理论参考。