激光增材制造Al_(x)CoCrFeNi高熵合金的组织与性能

为了研究Al含量对FeCoCrNi合金组织性能的影响,采用多路送粉激光熔覆设备高通量制备Al_(x)CoCrFeNi高熵合金(0≤x≤0.9),通过X射线衍射仪、金相显微镜、扫描电子显微镜、电子探针和显微硬度计测试合金的相组成、显微组织结构、成分和硬度。结果表明:随着Al含量的增加,Al_(x)CoCrFeNi高熵合金由单一FCC相(x≤0.35)转变为FCC+BCC双相结构(0.35<x<0.85),最后转变为单一BCC结构(x≥0.85)。高熵合金的微观组织为柱状枝晶和均匀的等轴枝晶,Al含量增至x=0.5时,枝晶间开始出现明暗交替的调幅分解结构,由无序相A2和有序相B2组成。显微硬度测试结果表明:Al_(x)CoCrFeNi高熵合金的硬度基本随Al含量增加而增加,Al_(0.9)CoCrFeNi的硬度相较于FeCoNiCr提升了146%。此外,当Al含量达到一定值时(x≥0.6),合金中开始有裂纹出现,裂纹尺寸和密度随Al含量继续增加而增加,这主要与合金凝固区间变宽、在凝固温度附近的黏度值增加导致的热裂纹增加,以及由于脆性的BCC相和σ相含量增加引起的冷裂纹有关。

Al_(x)CoCrFeNi高熵合金黏结剂对Ti(C,N)基金属陶瓷微观结构和高温抗氧化性能的影响

以Al_(x)CoCrFeNi高熵合金(x=0,0.5,1,物质的量比)作为黏结剂,采用低压烧结法制备Ti(C,N)基金属陶瓷,研究了Al_(x)CoCrFeNi高熵合金黏结剂对金属陶瓷微观结构和高温抗氧化性能的影响。结果表明:所制备的金属陶瓷均主要由面心立方(FCC)结构的Ti(C,N)相和FCC结构的高熵合金黏结相组成,在高温烧结时Al_(0.5)CoCrFeNi和AlCoCrFeNi高熵合金发生了体心立方(BCC)结构相到FCC结构相的转变;金属陶瓷中均形成了典型的芯-环结构,以AlCoCrFeNi高熵合金为黏结剂制备的金属陶瓷中含有较多孔隙;在1000℃氧化6 h后,以CoCrFeNi、Al_(0.5)CoCrFeNi和AlCoCrFeNi高熵合金为黏结剂制备的金属陶瓷的单位面积质量增加量分别为3.58,2.95,2.81 mg·cm^(-2),以Al-CoCrFeNi高熵合金为黏结剂制备的金属陶瓷具有最优的高温抗氧化性能。

Al_(x)CrFeNi_(3)Ti_(0.3)高熵合金的微观组织、力学和摩擦学性能研究

为给Al_(x)CrFeNi_(3)Ti_(0.3)高熵合金在摩擦磨损领域的应用提供技术支撑和理论支持,利用电弧熔炼技术制备了Al_(x)CrFeNi_(3)Ti_(0.3)高熵合金,通过X射线衍射仪、维氏硬度计、摩擦试验机、万能试验机、三维轮廊仪、扫描电镜等研究了不同Al含量对高熵合金组织、力学与摩擦学性能的影响。结果表明:Al的加入使高熵合金由单一的FCC相转变为FCC和BCC两相共存,且两相均呈现出树枝晶结构。随着Al含量的增加,合金的密度降低,但合金的硬度、屈服强度和抗压强度显著增大,表现出优异的综合力学性能。Al的加入显著改善了高熵合金的耐磨性能,其中Al_(1.2)CrFeNi_(3)Ti_(0.3)高熵合金的室温耐磨性能较不含Al的高熵合金提高了约8倍,且合金的磨损机制由磨粒磨损转变为氧化磨损。其强度和硬度的提高以及磨损表面硬质氧化层的形成是合金耐磨性能改善的主要原因。

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。

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。

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。

(CuMnNi)_(100-x)Al_(x)高熵铜合金的显微组织、力学与摩擦学性能研究

针对工业领域对新型高强高耐磨金属材料的需求,制备了(CuMnNi)_(100-x)Al_(x)(x=0,5,10,15)系列高熵铜合金,研究了Al含量对高熵铜合金的物相组成、显微组织、力学性能和摩擦磨损性能的影响.结果表明:CuMnNi高熵合金仅由面心立方结构(FCC)的高熵固溶体相组成,Al元素的添加对合金基体FCC相产生了强烈的固溶强化作用,并促进了体心立方(BCC)相形成.FCC相具有良好的塑性和韧性,而BCC相具有高强度和高硬度,两者共同作用使(CuMnNi)_(100-x)Al_(x)系列高熵铜合金的强度随Al含量增加而提高,而塑性和韧性不断降低.其中,(CuMnNi)_(90)Al_(10)高熵铜合金中FCC相和BCC相的含量达到最佳匹配,使其具有优异的综合力学性能.室温下,得益于优异的力学性能和硬质BCC相良好的抗磨作用,(CuMnNi)_(90)Al_(10)高熵铜合金的耐磨性优于常规耐磨铝青铜C6161,磨粒磨损为其主要磨损机制.

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。

激光熔覆Al_(x) CoCrCuFeNi高熵合金涂层组织与耐磨性

利用激光熔覆技术在45钢基体表面制备Al_(x) CoCrCuFeNi(x=0.5,0.75,1.0,1.25,1.5)高熵合金涂层,研究了Al元素含量对涂层组织结构、相组成、硬度及耐磨性的影响规律,重点分析了非平衡凝固快冷条件对高熵合金涂层形核的影响机制。Al_(x) CoCrCuFeNi涂层具有BCC和FCC结构,随Al元素含量的增加FCC逐渐向BCC转变,高熔点Fe,Cr元素偏聚于BCC相中,Cu元素以富Cu相形式存在。涂层硬度随Al含量的增加而增大,合金体系为Al_(1.5)CoCrCuFeNi时硬度达到最大为807.3HV_(0.2),耐磨性与硬度呈正相关性。激光熔覆非平衡快冷条件抑制了金属间化合物等有序相的形核、生长,有利于高熵合金固溶体相的形成。

Al含量对CoFeNi_(2)V_(0.5)高熵合金微观组织和力学性能的影响

采用真空电弧熔炼炉制备了不同Al含量的Al_(x)CoFeNi_(2)V_(0.5)(x=0~1.0)高熵合金铸锭,并通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、维氏硬度计、电子万能试验机以及振动样品强磁计(VSM)研究了不同Al含量对AlCoFeNi_(2)V_(0.5)合金微观组织、力学性能及磁性能的影响。结果表明,随着Al含量的增加,铸态Al_(x)CoFeNi_(2)V_(0.5)高熵合金晶体结构发生了由FCC相到FCC+BCC双相的转变,同时合金的压缩强度和硬度也出现了不同程度的提高。当x=0.6时,合金的断后伸长率为20.9%,抗拉强度为1072.1 MPa,表现出了优异的强度和塑性相结合。这是由于Al元素的加入使合金产生了严重的晶格畸变,从而起到固溶强化和细晶强化的作用,同时BCC相的析出起到第二相强化的作用。Al_(x)CoFeNi_(2)V_(0.5)高熵合金均表现出了典型的软磁材料的特征,当x从0增加到1,合金的饱和磁化强度逐渐降低,矫顽力升高。

热处理对Al_(0.5)CoCrFeNi高熵合金钎焊接头组织及性能的影响

采用TiZrCuNi钎料对Al_(0.5)CoCrFeNi高熵合金进行钎焊连接后对其进行退火处理,研究了800℃下不同退火时间对钎焊接头微观组织和力学性能的影响。通过扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)分析了钎焊接头微观组织及相组成,利用万能试验机测定了热处理前后试样的剪切性能。结果表明,钎焊接头的典型微观组织分为焊缝区、熔合区和热影响区3部分,焊缝区的组织主要为高熵合金相和BCC结构的FeCr基固溶体;随着退火保温时间的延长,钎焊接头焊缝区灰色相中逐步析出细小的黑色相,对接头起到了一定的弥散强化作用,微观组织更为均匀细小,钎焊接头的剪切强度由未经退火处理的554.8 MPa增加到退火12 h后的581.1 MPa。