增材制造FeCoNiAl系高熵合金的研究进展

FeCoNiAl系高熵合金在面心立方的FeCoNi基体中引入体心立方相稳定元素Al及其他合金化元素,因此表现出独特的显微组织、力学性能和功能性,具有广阔的工业应用前景。近年来,增材制造技术为制造超细晶粒和几何复杂的高熵合金零件提供了技术支持,引起研究人员的广泛关注。本文从打印工艺、显微结构、性能、缺陷和后处理等方面综述了增材制造FeCoNiAl系高熵合金的新进展。系统总结了几种典型增材制造技术,并讨论不同工艺下FeCoNiAl系高熵合金的晶体结构、显微组织及其相应的性能,阐述增材制造过程中与快速凝固和复杂热循环有关的缺陷形成机制。此外,介绍并总结了几种旨在进一步提高FeCoNiAl系高熵合金性能的后处理方法。最后,展望了增材制造高熵合金未来的研究方向,以解决面临的挑战,加快其在工业领域的应用。

CoCrFeNi系高熵合金耐腐蚀性能研究进展

高熵合金是一种新型多主元合金材料,因各方面独特的性能而受到广泛关注,其耐腐蚀性能方面也展现出巨大的潜力。本文结合最新研究动态,系统总结了合金元素、相结构及微观缺陷对CoCrFeNi系高熵合金耐腐蚀性能的影响;探讨了具有不同微观结构特征的高熵合金的腐蚀机制;并从室温及高温下不同腐蚀介质中的应用出发,阐述了CoCrFeNi系高熵合金在各领域的广阔应用前景。最后,总结了CoCrFeNi系高熵合金耐腐蚀性能的研究,并对其研究发展趋势进行了展望。

AlFeCuCoNiCrTi_x高熵合金的退火组织及硬度变化

利用XRD、SEM和DSC方法研究了AlFeCuCoNiCrTix(x=0、0.5、1)高熵合金退火态的微观组织、相结构以及相转变,同时利用洛氏硬度仪测量了各退火温度下的硬度变化。结果表明,随着退火温度的逐渐升高,Ti0合金的相组成大约在636℃以后会逐渐由原来的fcc+bcc结构变为fcc1+fcc2+bcc结构,其硬度在636℃会略微增加,在636～1112℃之间下降明显,在1112℃以后基本维持不变;对于Ti0.5合金,退火对其相组成基本没有影响,一直保持fcc+bcc1+bcc2的结构,其硬度在607℃会略微增加,在607～1092℃之间下降明显,在1092℃以后基本维持不变;而对于Ti1合金,当退火温度达到800℃时,会有Fe2Ti型的Laves相析出,这有助于提高材料的硬度,当退火温度达到1200℃时,其硬度可以提高到51.3HRC。

Al_xCrFeNiTi系高熵合金成分和弹性性质关系

为了探索Al_xCrFeNiTi系高熵合金组成成分和弹性性质的关系,结合固溶体特征参数和第一性原理计算,研究Al元素含量对Al_xCrFeNiTi (x=0, 0.5, 1, 2, 3, 4)合金结构和弹性性质的影响,并分析合金固溶体特征参数与弹性性质之间的关系.结果表明:Al_xCrFeNiTi系合金的价电子浓度随着Al含量的增加逐渐减小,合金在体心立方结构下的形成焓均低于面心立方结构,说明研究的Al_xCrFeNiTi系合金会形成单一的体心立方结构固溶体;合金的晶格常数和形成能力强弱随着Al含量的增加而增大,但合金的结构稳定性略有下降;当合金元素按照等原子比进行成分配比时,合金的原子尺寸差异最大; Al_xCrFeNiTi系合金中不同原子之间除了金属键结合外,还表现出一定的共价和离子键结合特征;对于Al_xCrFeNiTi系合金而言,随着热力学熵焓比的增大,合金体弹模量和韧性随之增大;随着合金混合焓的增加,合金在压缩方向的各向异性程度明显降低.热力学熵焓比和混合焓可作为Al_xCrFeNiTi系高熵合金成分设计的重要参数.

激光熔覆FeCoCrNi系高熵合金涂层的组织及高温摩擦学性能

高熵合金涂层在提高不锈钢基材的耐磨性方面具有巨大的潜力。为探究Cu/Si两种元素掺杂对FeCoCrNi高熵合金涂层组织及高温摩擦学性能的影响,采用激光熔覆技术在304不锈钢表面制备出FeCoCrNiCu_(x)和FeCoCrNiSi_(x)系列高熵合金涂层。采用XRD,SEM,EDS等手段表征了涂层的微观组织及物相分布,通过高温摩擦磨损试验机测试了涂层的高温摩擦学性能。结果表明:在合适的激光熔覆工艺参数下,FeCoCrNiCu_(x)和FeCoCrNiSi_(x)高熵合金涂层均形成了单一的FCC型固溶体,与基体呈良好的冶金结合;Cu元素的加入降低了FeCoCrNi涂层表面硬度,但由于涂层热导率提高,界面结合情况改善;Si元素的加入促进了晶粒细化,提高了涂层表面硬度;在600℃下,Cu/Si元素的加入对涂层的摩擦学性能均有明显改善,其中FeCoCrNiCu及FeCoCrNiSi涂层的摩擦因数分别为0.24和0.19,磨损率分别为1.58×10^(-4)mm^(3)·N^(-1)·m^(-1)和6.77×10^(-5)mm^(3)·N^(-1)·m^(-1),相比于FeCoCrNi涂层分别降低了56.1%和81.9%。FeCoCrNiCu涂层主要磨损机制为氧化磨损、疲劳磨损及轻微磨粒磨损,而FeCoCrNiSi涂层为氧化磨损。

CoCrFeNi系高熵合金研究进展

论述了CoCrFeNi高熵合金的改性方法,综述了单金属元素添加以及多金属元素添加的CoCrFeNi系高熵合金。并对CoCrFeNi系高熵合金的相结构、机械性能、高温稳定性、耐蚀性等性能进行了阐述,展望了此系列高熵合金未来的研究方向。

CoCrFeNi系高熵合金研究进展

高熵合金具有独特的微观结构和特性,作为一种新型的高性能材料,逐渐获得了国内外研究人员的广泛关注。高熵合金具备多元化的元素组成方式,不但没有形成传统概念中复杂的相结构,反而展现出了更优异的性能,在诸多领域均具有良好的应用前景。在当前的高熵合金体系中,CoCrFeNi系研究最为广泛,其研究内容主要体现在通过添加不同元素或进行退火热处理对原合金体系改性进而获得优异性能的材料。首先,结合CoCrFeNi体系对高熵合金的定义和性能特点进行了分析和总结;其次,从热力学和动力学角度论述了CoCrFeNi系高熵合金的结构预测、层错能计算及缺陷动力学分析;再次,总结了Al、Ti、Cu、Mn和C元素对CoCrFeNi系高熵合金显微组织和力学性能的影响;最后,分析了当前的研究现状并进行了展望。

基于成分与力学性能调控的NbTiMoVHf(Zr)Si系难熔高熵合金优化

高温力学性能优异的难熔高熵合金在航空发动机热端部件制造中展示出广阔的应用前景。首先,采用真空电弧熔炼法制备了20种NbTiMoVHf(Zr)Si系难熔高熵合金,并通过维氏硬度和拉伸性能测试确定了具有较好力学性能的合金样品,随后利用X射线衍射和电子背散射衍射等研究了其微结构特征。结果表明:NbTiMoVZrSi系高熵合金的力学性能更优,维氏硬度可达723 HV,抗拉强度可达219 MPa;随着Si含量增加,合金的晶粒尺寸减小,析出更多硬质硅化物,且硬度最高的样品小角度晶界含量较高。

FeCoMnNi系高熵合金的研究进展

高熵合金普遍具有高强度、高硬度、强抗腐蚀性以及优异的磁学和电化学性能等,是近些年来研究的热点。对近3年内FeCoMnNi系高熵合金的制备方法、处理工艺、影响因素等性能研究进展进行了总结,对新兴高熵合金材料在未来可能的应用和发展方向进行预测。

AlFeCuCoNiCrTi_x高熵合金的组织结构及电化学性能

研究了不同Ti含量的AlFeCuCoNiCrTix多主元高熵合金的组织结构及其在0.5mol/L的H2SO4溶液和1mol/L的NaCl溶液中的电化学性能,并与304不锈钢进行了对比。结果表明,随着Ti元素的添加,合金的组织结构仍然主要由BCC相和FCC相组成。极化曲线结果表明,在0.5mol/L的H2SO4溶液中的,与304不锈钢相比,该系合金具有较低的腐蚀速率;在1mol/L的NaCl溶液中,该系合金的腐蚀速率与304不锈钢相当,但是其抗孔蚀的能力要优于304不锈钢。

激光沉积CoCrFeNiSi-(Al,Ti)非等原子比高熵合金涂层腐蚀行为研究

目的研究Al、Ti元素对激光沉积CoCrFeNi系高熵合金涂层耐蚀性能影响,并对影响程度进行比较。方法采用激光沉积技术在316L不锈钢表面制备CoCrFeNiSi_(0.5)、CoCrFeNiSi_(0.5)Al_(0.5)、CoCrFeNiSi_(0.5)Ti_(0.5)、CoCrFeNiSi_(0.5)Al_(0.5)Ti_(0.5)等4种成分的高熵合金涂层,并通过X射线衍射仪(XRD)、金相显微镜(OM)、场发射扫描电镜(FESEM)以及电化学工作站等设备对高熵合金涂层凝固组织形貌、微观组织形貌、微区成分分布、耐腐蚀性能等方面进行分析研究。结果激光沉积CoCrFeNiSi_(0.5)高熵合金涂层物相由单一面心立方(FCC)相构成;CoCrFeNiSi_(0.5)Al_(0.5)高熵合金涂层的主要物相变成体心立方(BCC)相,并形成沿晶界网状分布的Cr3Si相;CoCrFeNiSi_(0.5)Ti_(0.5)高熵合金涂层的主要物相仍为FCC相,但枝晶间区域内形成G相(Ni16Ti6Si7),枝晶内区域形成长条状Cr_(15)Co_(9)Si_(6)相;CoCrFeNiSi_(0.5)Al_(0.5)Ti_(0.5)高熵合金涂层的主要物相为BCC相,枝晶间区域G相含量较CoCrFeNiSi_(0.5)Ti_(0.5)合金涂层有所降低,枝晶内区域形成弥散分布的方形纳米Fe3Al相。激光沉积CoCrFeNiSi-(Al,Ti)非等原子比高熵合金涂层在0.5 mol/L H2SO4溶液中的耐蚀性大小依次为CoCrFeNiSi_(0.5)Ti_(0.5)>CoCrFeNiSi_(0.5)Al_(0.5)Ti_(0.5)>CoCrFeNiSi_(0.5)>CoCrFeNiSi_(0.5)Al_(0.5)。浸蚀后,CoCrFeNiSi_(0.5)高熵合金涂层以均匀腐蚀为主,CoCrFeNiSi_(0.5)Al_(0.5)涂层产生严重的晶间腐蚀,CoCrFeNiSi_(0.5)Ti_(0.5)涂层主要为枝晶间区域的点蚀,CoCrFeNiSi_(0.5)Al_(0.5)Ti_(0.5)涂层枝晶间区域的点蚀程度明显高于CoCrFeNiSi_(0.5)Ti_(0.5)涂层,且枝晶内区域的纳米第二相颗粒发生脱落。结论在酸性溶液环境中,相较于Al元素,Ti元素可更有效地提升激光沉积CoCrFeNi系高熵合金涂层的耐蚀性能。

人工智能加速新高熵合金的开发

据2020年11月11日韩国浦项科技大学phys.org/news网页报道:近期该校一研究团队用人工智能开发高熵合金新材料。机械工程系和材料科学与工程系的几位教授、博士一起用人工智能开发用于高熵合金的相预测技术。研究成果出版于Materials and Design(国际材料科学杂志)。金属材料传统合金用所需性能的主要元素混合2~3种辅助元素制成。高熵合金用相等或类似比例的5种或更多元素制成,无主元素。用该法制成的合金理论上无限且具有特别的力学、热、物理和化学性能。合金具有抗腐蚀或极低温特性,且已成功制备高强合金。但设计新型高熵合金材料基于试验上,需时间和财力,很难事先确定待开发高熵合金的相、力学及热性能。

FeCoNiCr系高熵合金铣削力仿真与实验研究

通过对高熵合金进行三维槽铣和侧铣的铣削力仿真分析,研究了不同加工参数对铣削力的影响规律.针对FeCoNiCrAl_(0.1),FeCoNiCrAl_(0.5),FeCoNiCrMo_(0.1)三种铸态高熵合金设计正交与单因素铣削实验,通过测量实验中的铣削力,探讨了不同加工方式、铣削参数、刀具和不同元素成分及含量对铣削力的影响规律.仿真及实验结果表明:随着铣削速度的增加,铣削深度和进给速度的减小,槽铣和侧铣的铣削力都减小,相同加工参数下槽铣的铣削切向力和法向力分别比侧铣高404.30%和761.06%.Al元素含量高的高熵合金铣削力大.HMX涂层刀具的铣削力小于SGS涂层刀具,铣削力平均降低10.6%.实验结果为高熵合金的高效加工提供了理论参考.

钛合金表面抗高温氧化涂层的研究进展

钛合金在制造航空航天发动机等关键部件方面具有重要的应用价值,但高温性能不稳定是制约其发展前景的主要原因。采用激光熔覆技术在钛合金表面制备耐高温涂层,是在不改变钛合金材料整体性能的前提下赋予材料表面特殊性能的重要途径。首先介绍了钛合金的氧化行为,并简要分析了钛合金在氧化过程中的氧化特点及失效形式,指明其改善途径。随后总结分析了目前常用的镍基高温涂层、TiAl系高温涂层和高熵合金高温涂层的研究现状,其中镍基合金涂层具有较高的结合强度、良好的耐磨性和优异的耐蚀性,但由于涂层与基体中元素的扩散速率不同导致的差异,造成柯肯达尔空洞的产生,涂层变得不稳定,涂层与基体的结合强度降低。TiAl基合金的高温性能与镍基高温合金相近,且密度小,有代替镍基合金的发展趋势,其涂层表面可以生成均匀致密的Al2O3氧化膜,并且与钛合金基体间的化学成分差异小,基本不发生互扩散现象。但二元TiAl系涂层对于Al的用量有严格的要求,当其使用温度超过850℃时,抗氧化性能也会严重降低。因此Ti-Al-X系涂层中X元素(例如Cr、Si、Ni等元素)的添加,可以适当地降低Al含量,促进均匀致密的Al2O3氧化膜的形成,有效地阻止氧元素向基体的扩散,并且比二元TiAl涂层的脆性要低、塑性更好。高熵合金高温涂层具有许多优异的性能,调整其中某一种或者某几种元素的含量都可以进一步优化性能,因此应用前景极为广阔,但其还处于实验室研究阶段,元素配比的不合理,基体元素对熔覆层的反作用,都会使高熵合金的脆性和力学性能达不到理论效果,不能进入真正的应用阶段。最后展望了激光熔覆技术在钛合金表面制备高温涂层的发展趋势。

Al_(x)CoCrFeNi系高熵合金物相结构及力学稳定性第一性原理计算和试验研究

高熵合金因其独特的组织结构和多种效应展现出良好的力学性能,近年来成为广泛研究的焦点。采用第一性原理计算和试验相结合的方法,研究了Al_(x)CoCrFeNi(x=0,0.1,0.3,0.5,0.7,1.0;摩尔分数)系高熵合金的物相结构和力学性能,探究不同Al含量对高熵合金组织结构及力学性能的影响。采用虚拟晶体近似(VCA)法计算发现:随Al含量增加,合金的晶格常数呈增大趋势,密度逐渐减小;合金共价键特性增强,塑性降低,原子间平均成键能力和变形抗力逐渐增强,不易发生弹性变形。采用真空电弧熔炼法制备出系列合金试样并对其进行研究分析,结果表明:Al元素加入使合金发生晶格畸变,其晶体结构由单一面心立方(fcc)结构先转变为fcc+体心立方(bcc)混合结构,随后转变为单一bcc结构。同时,Al含量的增加会使合金硬度和弹性模量值升高,延展性降低。理论预测值与试验结果吻合良好,进而证明VCA法用于Al_(x)CoCrFeNi系高熵合金物相结构及力学性能预测具有较高的准确性,可为设计开发新型高熵合金提供参考依据。

FeCrNiAl系高熵合金高温氧化行为及组织演变研究

研究了FeCrNiAl系高熵合金的高温氧化行为,建立了合金的氧化动力学模型,同时借助XRD、SEM和能谱分析,对合金氧化物相结构及形貌和成分进行表征,分析了合金的氧化机理。结果表明合金在800~1000℃都是完全抗氧化的,随着氧化温度的提高,合金氧化速率先增加后减小,1000℃的平均氧化速率小于800℃的平均氧化速率;各个温度下试样单位面积的氧化增重与氧化时间的关系满足抛物线规律,计算得到合金的氧化激活能为167.507 kJ/mol;800℃下枝晶内的氧化产物全部是棒状的金红石结构TiO_2,而枝晶间氧化产物则主要是片层状、紧密相连的Cr_2O_3和TiO_2;900和950℃下形成的氧化膜中主要氧化物均为TiO_2,900℃还含有Cr_2O_3和Fe2O3,950℃氧化膜中还含有α-Al_2O_3。在1000℃合金表面仅形成致密的α-Al_2O_3薄膜,使合金表现出更为优异的抗氧化性能。

Al_xFeCoNiCrTi合金的抗氧化性能及其退火态的组织和硬度

利用XRD、SEM、DSC和TG等方法研究了AlxFeCoNiCrTi(x=0.5,1,1.5)高熵合金铸态和不同温度退火后的显微组织、相结构、硬度及其抗氧化性能。结果表明:随着退火温度升高,Al0.5FeCoNiCrTi合金和Al1FeCoNiCrTi合金在785℃左右退火会析出Fe2Ti型的Laves相,合金中的fcc和bcc2相除了长大外,形态基本没有变化;而Al1.5FeCoNiCrTi合金基本保持铸态组织不变;铸态及退火态合金硬度较高(约60 HRC),具有非常强的抗回火软化能力以及一定的高温应用价值;该系合金具有优越的抗氧化性能,尤其Al0.5FeCoNiCrTi合金的抗氧化性能最佳。

Al含量对热轧FeMnCoCr系高熵合金组织和性能的影响

研究了Al含量对(Fe_(50)Mn_(30)Co_(10)Cr_(10))_(100-x)Al_(x)高熵合金微观组织、变形机制和拉伸性能的影响。采用真空电弧熔炼炉制备合金铸锭,对合金进行压下率为80%的热轧火淬,利用SEM和EBSD对合金的组织结构进行了分析。结果表明,随着Al含量(原子分数,下同)由0%增加到6%,热轧淬火后合金组织由FCC+HCP双相转变成FCC单相,Al含量为8%时产生了BCC相;随着Al含量由0%增加到6%,在拉伸过程中TRIP效应受到抑制,TWIP效应明显增加,合金的屈服强度变化不大,抗拉强度稍有降低,断后伸长率显著增加,当Al含量为6%时断后伸长率达到最高,为79%。