共晶高熵合金C_(x)CoCr_(3)Fe_(5)Ni强度-韧性协同效应

通过真空感应熔炼制备C_(x)CoCr_(3)Fe_(5)Ni(x=0,0.1,0.2和0.3,摩尔分数)高熵合金(HEAs),研究碳含量对微观结构和力学性能的影响。随着碳含量的增加,合金相结构由FCC+BCC双相结构转变为M_(23)C_(6)碳化物和FCC相的共晶结构。与CoCr_(3)Fe_(5)Ni基体合金(屈服强度307.5 MPa、极限抗拉强度646.5MPa以及伸长率55.4%)相比,C_(0.2)CoCr_(3)Fe_(5)Ni共晶HEA的屈服强度(378.9MPa)、极限抗拉强度(837.1MPa)和伸长率(56.1%)均显著提高。该合金力学性能的提高主要归因于碳合金化所引起的间隙固溶强化和特殊的共晶结构带来的第二相强化。

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。

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-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.

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。

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。

增材制造VNbTiSi轻质难熔共晶高熵合金的组织及力学性能

高熵合金与增材制造技术的结合,为极端服役环境下结构复杂部件的一体化制造提供了新的思路。采用激光熔化沉积(LMD)技术成功制备了VNbTiSi轻质难熔共晶高熵合金,通过显微组织分析筛选出最佳激光功率参数,并对试样进行了室温及高温压缩性能测试。结果表明:VNbTiSi轻质难熔共晶高熵合金表现出了优异的打印性能,最佳工艺参数下制备得到的样品在宏观和微观上均没有出现裂纹。在合金底面及沿构建方向,熔池内部与熔池边界(搭接处)均呈现出不同的形貌,熔池内部由柱状的全共晶组织构成,共晶胞为熔池边界出现较为粗大的(Nb, X)5Si3初生硅化物相。相比铸态组织,激光熔化沉积使得共晶组织的片层间距显著细化。增材制造合金不仅在1000℃下压缩强度可达640 MPa,在1100℃时依然能够保持高于500 MPa的压缩强度,高温压缩性能显著优于铸态VNbTiSi合金。

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。

Ti_(x)NbMoTaW系高熵合金性能的第一性原理计算

NbMoTaW合金是目前研究极广泛的难熔高熵合金之一,具有高熵合金高强度、高硬度、耐磨损的优异性能,但其韧性塑性较差,极大影响了其在工程中的应用。本研究在NbMoTaW合金中添加不同比例的Ti元素以提高该合金的塑韧性,通过相形成参数计算确定了Ti_(x)NbMoTaW系合金的相结构为固溶体相,运用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算合金晶格常数、基态能量、形成能及焓变值,分析了合金结构稳定性。通过计算合金不同Ti含量时弹性常数、弹性模量、B/G、泊松比ν、柯西压C_(12)-C_(44)等参数研究了合金弹性性质的变化规律。最后对电子态密度分析得知,合金体系成键共价性降低,金属键增强,弹性性质和态密度的结果表明添加Ti有助于该合金韧性的提高。此研究可为设计、改善难熔高熵合金性能提供一定设计思路和理论指导。

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。

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。

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%.

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。

一种高效稳定的高熵合金电催化剂用于析氢反应

水分解是一种利用可再生能源驱动的绿色制氢方法,零碳排放特性使其成为解决氢能源生产的重要途径.在电化学水分解中,制备高活性和稳定性的催化剂至关重要.高熵合金(HEAs)由于独特的结构和性能使其成为理想的催化剂材料,其多元成分和可调组成提供了丰富的表面活性位点和灵活的催化特性,有望提高水分解的效率并降低成本.然而,简易高效地制备HEAs仍面临挑战,且目前对HEA催化剂的结构-活性关系的了解存在不足.因此,探索一种简便有效的方法用以制备高性能HEAs催化剂,并深入理解其在水分解反应中的作用机制和结构演变,能够为未来绿色制氢技术的发展提供重要的科学基础和技术支持.本文采用了电化学测量、CuK-边和PtL3-边的原位同步辐射X射线吸收光谱(XAS)测试以及密度泛函理论(DFT)计算相结合的方法,系统地研究了高熵合金电催化剂PtPdRhRuCu/C的析氢反应(HER)活性、反应机制以及结构演变规律.PtPdRhRuCu HEAs纳米颗粒由简便的一步溶剂热法制备,直径约为6.7±0.6 nm,其合金结构和元素分布通过多种表征手段(扫描透射电子显微镜、X射线衍射和能量色散X射线光谱等)得到确认.XAS对Cu K-边和PtL3-边的分析结果显示,HEAs纳米颗粒表面的少量铜氧化物在HER过程中被还原至金属态.扩展X射线吸收精细结构的拟合结果表明,HEAs在工况HER中保持了金属态和无序的原子排列,没有新的分离相形成.电化学测试结果表明,得益于多金属活性位点,PtPdRhRuCu/C催化剂在酸性和碱性条件下均表现出较好的HER活性和耐久性.在10 m Acm^(-2)的电流密度下,该催化剂在1molL^(-1)KOH中具有23.3 m V的极低过电位,优于商业Pt/C催化剂(50.3 m V),其质量活性是Pt/C的7.9倍,达到3.0 Amg^(-1)Pt.PtPdRhRuCu的高熵效应显著提升了催化剂在HER中的长期稳定性,在稳定性测试中,PtPdRhRuCu/C催化剂在10000次循环伏安测试后几乎无性能衰减,而Pt/C的过电位增加了约24 m V.在-55 m V过电位下的30 h的HER测试中,PtPdRhRuCu/C保持95.7%的初始电流密度,而Pt/C衰减了53.6%.在酸性条件下,PtPdRhRuCu/C的循环稳定性和耐久性也优于Pt/C.DFT计算结果表明,PtPdRhRuCu/C较好的HER性能和稳定性归因于高熵合金的协同效应,多金属成分提供了多样的活性位点,优化了HER反应路径,特别是在Volmer步骤中降低了水裂解的反应能垒.PtPdRhRuCu/C上的HER过程遵循Volmer-Tafel机理,水分子优先吸附在Ru位点,促进HO-H键的解离,解离出的质子迁移到Pt上,而OH通过Ru和Rh的桥接作用而稳定,最终在Cu上释放H2.综上,本文展示了高熵合金在HER中较好的性能,并通过详细的表征深入理解了其构-效关系.研究成果为高熵合金催化剂的合理设计和应用提供理论支持,为未来高效、耐久和低成本的绿色制氢技术提供重要的科学依据和技术支持.

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。

共晶高熵合金

共晶合金是工业上广泛应用的一类铸造合金,具有优异的充型能力、机械性能、组织均匀性以及稳定性等。统计发现,大约70%的传统二元合金中存在着共晶转变,所形成的共晶合金大多性能较差,这主要受限于其固定的共晶点、相体积分数以及有限的相组成。相较于传统共晶合金,共晶高熵合金含有更多的组成元素,同时共晶成分由一个点扩展为一定的成分区间,因而力学性能、物理性能以及化学性能具有更大的调控范围,具有更广阔的应用前景。

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。

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%。

铌对铸态CrFeNiMo_(0.2)Nb_(x)共晶高熵合金微观组织的影响

为验证共晶高熵合金设计策略,制备CrFeNiMo_(0.2)Nb_(x)一系共晶高熵合金,并分析铌元素对CrFeNiMo_(0.2)Nb_(x)高熵合金微观结构的影响规律。结果表明,随着铌的加入,合金的相组成和微观形貌发生明显的变化,相组成由铌摩尔比为0时的FCC相和少量的金属间化合物FeMo型σ相,转变为FCC相和C14型laves相,微观形貌由树枝晶转变为树枝晶和树枝晶晶界间的层片状共晶组织。