梯度异质结构CoCrNi中熵合金的设计及变形机理研究

CoCrNi是一种典型的中熵合金,其具有塑性高但拉伸强度较低的特点,这种强塑性权衡问题限制了其工程应用范围。本文采用轧制退火和旋转加速喷丸工艺,在CrCoNi中熵合金中引入梯度晶粒尺寸和孪晶的异质结构。结果表明,这种设计实现了优良的强塑性,其屈服强度和抗拉强度分别为665 MPa和950 MPa,同时断裂塑性达到40.6%。在拉伸变形过程中,梯度晶粒异质结构能够产生非均匀变形诱导硬化,提升合金屈服强度的同时,保持高的加工硬化率和优异的延展性。因此,基于轧制退火和旋转喷丸工艺,引入梯度晶粒异质结构是克服合金强度-延展性失衡问题的有效途径。

45钢表面激光熔覆CoCrNi中熵合金涂层组织与性能

为探究CoCrNi中熵合金在激光熔覆领域中的应用,以CoCrNi合金粉末作为熔覆粉末,在45钢表面采用同轴送粉法制备合金涂层。利用扫描电镜、X射线衍射仪、显微硬度仪、摩擦磨损实验机和电化学工作站等设备研究了熔覆层微观组织、硬度、耐磨性和耐腐蚀性能。结果表明:熔覆层成形良好,组织均匀致密,组成相主要为FCC单相固溶体;熔池与基体交界处为平面晶,底部靠近中心为柱状晶,顶部分别为胞状晶和等轴晶,3种元素在熔覆层深度方向上的比例几乎相同;熔覆层平均硬度为250HV,摩擦系数、磨损量较基体分别降低了11.7%和36.7%;自腐蚀电流密度略有降低,CoCrNi熔覆层的钝化区域为-150到1100 mV,表明熔覆层显著提高45钢的耐腐蚀性能。

晶粒尺寸对CoCrNi中熵合金力学性能、摩擦磨损性能及腐蚀性能的影响

采用电子背散射衍射仪和扫描电子显微镜研究晶粒尺寸对等摩尔比CoCrNi中熵合金力学性能、摩擦磨损及耐腐蚀性能的影响。结果表明:相比较于铸态样品(粗晶,123.56μm),再结晶样品(细晶,5.93μm)具备更优异的强韧化协调性能,其抗拉强度达816.46 MPa,伸长率达59.15%。这归因于晶界面积的增加和退火孪晶的出现,使变形过程中位错滑移受阻。细晶样品的摩擦磨损性能显著提高,摩擦因数、磨损率和磨损体积均降低(分别降低约63.5%、54.7%和54.7%),这是由于在摩擦磨损过程中其氧化膜相较于粗晶粒氧化膜表现更加稳定。在中性、酸性和碱性溶液中,细晶样品的自腐蚀电位分别提高0.041、0.005和0.049 V;而自腐蚀电流则分别降低2.88×10-8、0.34×10-5和2.82×10-8A,且其表面形成更致密、更厚的钝化膜。因此,细晶样品在中性、酸性和碱性溶液中具有更优异的耐腐蚀性能。这是由于细晶导致晶界长度增大,从而减小自腐蚀电流,而且晶界密度的增加有利于Cr元素的扩散,产生更多的形核位置形成钝化膜。

激光功率对激光熔化沉积CoCrNi中熵合金组织及性能的影响

采用激光熔化沉积工艺制备了CoCrNi中熵合金,研究了激光功率对组织及性能的影响。结果表明,当功率为800~1600 W时,沉积层与基体冶金结合良好,熔合线清晰可见。沿沉积层建筑方向组织依次为平面晶、柱状晶和等轴晶。随着功率升高,沉积层宽度增大,显微组织粗化,显微硬度逐渐降低。激光功率P=800 W时,性能最优,沉积层熔合区、中部和顶部的平均显微硬度分别为393、435和496 HV。

热锻态CoCrNi中熵合金组织及力学性能的研究

通过力学性能测试以及OM、XRD、SEM和EBSD分析,研究了热锻对CoCrNi三主元中熵合金组织和力学性能的影响。结果表明:热锻后合金的晶粒得到明显的细化,晶体结构为面心立方结构(FCC)。晶粒内部的大量退火孪晶与扩展层错的共同作用使得合金具有良好的室温力学性能。屈服强度达到380 MPa,抗拉强度达到850 MPa,伸长率达到92%,合金表现出极高的强塑性(强塑积为76.5 GPa·%)。

热轧对CoCrNi中熵合金微观组织和性能的影响

为了研究热轧(高于再结晶温度)过程中CoCrNi中熵合金组织与性能的演变,在不同温度下(900℃和1 100℃)轧制,制备不同厚度的板材。采用X射线衍射仪、金相显微镜、维氏硬度仪和万能试验机分别对板材进行物相组成分析、组织形貌分析以及力学性能分析。研究结果表明:热轧过程中无第二相析出;热轧会使晶粒被压扁、拉长、转动和破碎,形成亚晶粒与板织构,通过动态再结晶过程完成了由树枝晶向等轴晶组织的全部转变,且相同下压量下1 100℃热轧后晶粒尺寸大于900℃热轧后晶粒,说明高温会促进晶粒长大;冷轧CoCrNi合金的显微硬度可达520 HV,900℃或1 100℃热轧其显微硬度不到300 HV,且断后延伸率明显增加,说明热轧可以改善合金内部缺陷,且无明显的加工硬化现象,从而优化其力学性能。

退火工艺对冷轧态CoCrNi中熵合金组织与性能的影响

为研究冷轧态的CoCrNi中熵合金组织与性能的演变,采用真空电弧熔炼法制备CoCrNi中熵合金并进行双辊冷轧轧制,采用不同的热处理工艺,对冷轧后的试样进行退火处理。利用扫描电子显微镜和X射线衍射仪分析其组织与结构的变化;通过显微硬度测试和拉伸试验研究其性能变化。研究结果表明:CoCrNi中熵合金冷轧后退火处理,没有新相的产生,依然是单一FCC结构;在退火过程中发生了再结晶现象,当退火温度为900℃时,由于温度较低,再结晶发生缓慢,随退火时间延长,显微硬度从456 HV降至215 HV,屈服强度从1570 MPa降至400 MPa,塑性从5%提高至69%,组织逐渐转变为再结晶后的等轴晶;当退火温度提高至1000℃时,能快速完成再结晶,退火10 min时,显微硬度为219 HV,屈服强度和塑性分别为315 MPa和71%,随退火时间延长,组织与性能变化均无明显变化;当退火温度继续提高至1100℃时,由于退火温度较高,再结晶迅速完成,退火10 min时,显微硬度为199 HV,屈服强度和塑性分别为351 MPa和77%,随退火时间和温度的增加,发生晶粒长大,影响材料性能。

Cu、V对于CoCrNi中熵合金组织与性能影响

设计了(CoCrNi)100-x(CuV)x(x=0,3,5)系列中熵合金,并对其做冷轧和不同热处理工艺处理,然后用X射线衍射和扫描电子显微镜对其组织和结构分析,用拉伸仪器和硬度仪对其性能分析。结果表明:在900℃退火处理时,添加0、3%和5%的Cu、V元素强度分别是864 MPa、943 MPa和1001 MPa,塑性分别是53%、46%和43%,Cu、V元素的添加使得Co、Cr、Ni元素在晶界富集,强度得到提升,但是塑性会下降。退火态的强化方式主要是析出强化。同时Cu、V的添加提高也能合金耐腐蚀性能。

TiC强化CoCrNi中熵合金:TiC溶解析出及其对显微组织和性能的影响

为了提高CoCrNi中熵合金的强度和耐腐蚀性能,通过添加不同含量TiC设计TiC强化CoCrNi中熵合金(CoCrNi/(TiC)_(x)(x=0.1,0.2,0.4))。研究TiC含量对合金的显微组织、力学性能和耐腐蚀性的影响。研究发现,随着TiC含量的增加,TiC的析出形态从片状共晶转变为针状结构,最后形成针状与块状TiC混合颗粒。TiC在CoCrNi合金中出现溶解-析出现象,这对CoCrNi/(TiC)_(x)合金的力学性能和耐腐蚀性能具有重要意义。加入TiC后,合金的强度明显提高。CoCrNi/(TiC)_(0.4)合金的抗压屈服强度达到746 MPa,远高于CoCrNi中熵合金的108 MPa。此外,TiC的加入还能提高CoCrNi中熵合金在盐溶液中的耐腐蚀性。

激光辅助增材制造CoCrNi中熵合金的纵向力学性能研究

针对钴铬镍(CoCrNi)增材制造过程中,因热传导具有方向性,且受层间结合强度和材料显微结构影响,导致CoCrNi的纵向(平行于材料沉积方向)力学性能(屈服强度、抗拉强度、延伸率)较差的问题,采用激光辅助增材制造方法制备CoCrNi中熵合金。实验结果发现:随着打印工件沉积高度增加,散热性变差,出现较大的外延晶,且产生热裂纹;制备的CoCrNi纵向力学性能明显低于文献[9]的横向力学性能,但保持了相对较好的强度和韧性。

CoCrNi中熵合金在不同浓度NH_(4)Cl溶液中的腐蚀行为研究

通过电化学测试、统计学分析和浸泡腐蚀实验系统地研究了等原子CoCrNi中熵合金(MEA)在不同浓度NH_(4)Cl溶液中的腐蚀行为及机理。结果表明,随着NH_(4)Cl浓度的增加,MEA的腐蚀电位(Ecorr)负移,维钝电流密度(Ip)增大,腐蚀速率增加,合金的耐腐蚀性能降低。当NH_(4)Cl浓度为3%和8%时,阳极曲线出现了明显的活化-钝化过渡区,意味着合金钝性降低。此外,随着NH_(4)Cl浓度的增加,MEA表面钝化膜的缺陷密度明显增加,钝化膜的厚度减薄,稳定性降低,这削弱了膜对合金的保护能力。NH_(4)^(+)和Cl^(-)的共同作用促进了亚稳态点蚀的形核和发展,且在高浓度的NH_(4)Cl溶液中,亚稳态点蚀难以再钝化,容易发展为稳态点蚀。MEA腐蚀形态主要为点蚀。

多孔CoCrNi中熵合金的力学性能和吸能特性分析

采用粉末烧结-溶解法成功制备了孔隙率为63%~78%,孔径1.3~2.2 mm的多孔CoCrNi中熵合金,借助SEM和XRD对试样的孔形貌和物相组成进行分析,并对试样进行轴向准静态压缩实验研究。结果表明:多孔CoCrNi中熵合金的弹性模量和屈服平台应力均随孔隙率、孔径的增大而减小;相对孔隙率而言,孔径对力学性能的影响程度较低;不同孔隙率的多孔CoCrNi中熵合金其致密应变下单位体积的能量吸收值为34.81~14.25 MJ/m^(3),约为泡沫铝的3.8倍,且5种孔隙率合金的理想吸能效率(I)都接近0.8,说明该多孔CoCrNi中熵合金有潜力成为一种理想的吸能材料。

低成本Fe_(60)(CoCrNiMn)_(40)富铁中熵合金的显微组织与性能

通过增加CoCrFeMnNi合金中的铁含量,制备了低成本富铁中熵合金Fe_(60)(CoCrNiMn)_(40)(原子分数/%),对其进行了1200℃×3 h均匀化处理、轧制和900℃×1 h退火处理,研究了该合金的显微组织、拉伸性能及耐腐蚀性能等。结果表明:试验合金由面心立方结构的单一奥氏体相组成,再结晶晶粒大小均匀,平均晶粒尺寸约为17.8μm,再结晶晶粒内出现退火孪晶;试验合金在室温下表现出优异的拉伸性能和应变硬化能力以及在NaCl溶液中显著的自钝化行为和优异的耐腐蚀性能,其抗拉强度为603 MPa,屈服强度为226 MPa,断后伸长率为81.6%,在NaCl溶液中的自腐蚀电位为-0.4616 V,自腐蚀电流密度为2.74×10^(-6) A·cm^(-2),电荷转移电阻为2.94×10^(5)Ω·cm^(2);与其他富铁多组分合金相比,试验合金的抗拉强度和断后伸长率更大,塑性应变高出10%以上,自腐蚀电流密度更低。试验合金的拉伸断口由均匀分布的韧窝组成,拉伸断裂方式为韧性断裂;在NaCl溶液中电化学腐蚀后,试验合金表面出现明显腐蚀坑,电化学腐蚀方式主要为点蚀。

(Ti_(60)Cr_(30)Nb_(10))_(100-x)Al_(x)轻质中熵合金的力学与腐蚀性能

研究轻质(Ti_(60)Cr_(30)Nb_(10))_(100-x)Al_(x)(x=0,5,7.5,10,摩尔分数,%)中熵合金在铸态和均匀化态下的显微组织、力学性能和腐蚀行为。结果表明,随着Al含量从0增加到10%(摩尔分数),铸态合金均由相同的相组成,即体心立方(BCC)相和少量TiCr2型Laves相组成。均匀化后,所有合金均由单相BCC组成。此外,(Ti_(60)Cr_(30)Nb_(10))_(95)A_(l5)中熵合金表现出在铸态和均匀态条件下最优异的力学性能,屈服强度分别约为1048 MPa和1017 MPa,同时保持超50%压缩应变。与TC4和铸态(Ti_(60)Cr_(30)Nb_(10))_(95)A_(l5)合金相比,均匀态(Ti_(60)Cr_(30)Nb_(10))_(95)A_(l5)合金表现出更优异的耐腐蚀性能,这主要归因于均匀的显微组织与化学成分。

冷轧+退火对CoCrNi中熵合金显微组织和力学性能的影响

研究了CoCrNi中熵合金分别经低温(-196℃)和室温(25℃)冷轧及分别700℃和800℃退火后的显微组织和力学性能。结果表明,合金经低温冷轧+700℃退火后具有优良的强度-韧性匹配,抗拉强度为1023 MPa,总延伸率为34%,相比于室温冷轧+700℃退火、低温冷轧+800℃退火和室温冷轧+800℃退火,其抗拉强度分别提高了16%、13%、37%,主要是由于试样内发生回复与再结晶产生退火孪晶,细化晶粒,减小位错密度,阻碍位错的移动,提高合金强度。

选区激光熔化成形FeCrNi中熵合金点阵结构及其力学性能

金属点阵结构材料由于其轻量化、高比强度、能量吸收和多孔性等优势,广泛应用于航空航天、汽车工业等领域。以高强韧FeCrNi中熵合金(medium entropy alloy,MEA)为研究对象,采用选区激光熔化(selective laser melting,SLM)技术制备了具有BCC,BCCZ,FCC,FCCZ四种仿晶格结构的FeCrNi中熵合金点阵结构材料,对其显微组织、力学性能及变形行为进行了系统研究。结果表明,采用SLM技术制备的FeCrNi中熵合金点阵结构节点搭接质量高,熔池交错堆叠致密,晶粒均匀细小。在相对密度相近时,BCC,FCC,BCCZ,FCCZ点阵结构的比强度和比能量吸收值依次升高。具有FCCZ点阵结构的FeCrNi中熵合金材料的比能量吸收值达到49.8 J·g^(-1),显著高于Ti6Al4V及316L不锈钢点阵材料。有限元模拟分析表明,Z型支柱的存在增加了点阵材料的表观强度和刚度,并导致变形行为由结点弯曲主导向拉轴向压缩主导转变,是FCCZ点阵结构强度提升的主要原因。

FeCoNiTi_(x)中熵合金组织性能及其在硬质合金中的应用

FeCoNi中熵合金相比传统合金具有优异的性能,但其室温强度不高,限制了其应用。通过机械合金化和放电等离子烧结工艺制备FeCoNiTi_(x)(x=0,0.25,0.50,0.75,1)中熵合金块体,重点研究了各元素机械合金化顺序以及Ti含量对FeCoNiTi_(x)中熵合金显微组织和性能的影响,并初步探讨了FeCoNiTi_(x)中熵合金作为黏结剂在WC基硬质合金中的应用。结果表明:机械合金化过程中FeCoNi基体相为FCC相,添加Ti元素后形成Laves相和钛氧化物相,因此FeCoNiTi_(x)中熵合金物相由FCC相、Laves相和钛氧化物相组成。随着Ti含量的增加,FeCoNiTi_(x)合金密度、硬度和强度均上升,塑性先增强后减弱。FeCoNiTi_(0.50)中熵合金表现出良好的力学性能,其显微硬度、屈服强度、压缩强度和压缩应变分别为531 HV、1 987.57 GPa、2 114.85 GPa和20.5%。添加少量Ti元素可提升FeCoNi合金的耐腐蚀性。FeCoNiTi_(x)黏结剂在WC基硬质合金中能稳定存在,抑制WC烧结过程中脱碳相的形成。WC-FeCoNiTi_(0.50)硬质合金表现出较好的力学性能,其显微硬度与断裂韧性分别为1 834 HV与15.12 MPa·m^(1/2)。

时效Ni_(2)CoCr_(0.5)Si_(0.3)Al_(0.1)Ti_(0.1)中熵合金的力学行为和变形机理的研究

【目的】设计了一种新型的Ni_(2)CoCr_(0.5)Si_(0.3)Al_(0.1)Ti_(0.1)中熵合金。【方法】在非等原子比Ni-Co-Cr基体的中熵合金中加入微量的Si、Al和Ti元素,并且通过不同温度的时效热处理进一步引入弥散的共格L12相沉淀。【结果】结果表明,700℃时效后的Ni_(2)CoCr_(0.5)Si_(0.3)Al_(0.1)Ti_(0.1)中熵合金具有最优异的力学性能,其屈服强度为783MPa,极限抗拉强度为1252MPa,伸长率为41.6%;相比退火处理样品,经过700℃时效处理使得合金的屈服强度提升了310MPa.分析合金在700℃时效样品的初始微观结构,可以确定合金中不仅存在共格的L12相结构,还有微量的金属间化合物Ni16Ti6Si7相。同时,由于高轧制量的冷轧变形和短时间的退火处理,在初始结构中发现微量的层错、纳米层错网格、Lomer-cottrell锁和位错钉扎现象的存在。其几何必需位错在拉伸过程中呈现出均匀分布,主要的变形模式以滑移为主,且具有层错结构,并没有发现变形孪晶。

低层错能CrCoNi基(中)高熵合金的强化方法研究

低层错能的CrCoNi基(中)高熵合金在室温或低温下具有优异的断裂韧性。同时,在冲击条件下变形机理的多样性使CrCoNi基(中)高熵合金具有优异的抗变形能力,有望作为抗冲击结构材料被应用于极端环境中。然而,金属材料“强度-塑性”的倒置关系在CrCoNi基(中)高熵合金中依然存在,低的屈服强度限制了CrCoNi基(中)高熵合金的潜在应用。因此,选择合适的强化方法,提高CrCoNi基(中)高熵合金的屈服强度,同时保持高塑性,成为目前高熵合金研究的热点。本文从固溶元素、晶内缺陷、相结构3个方面介绍了目前应用在CrCoNi基(中)高熵合金中的强化方法,从固溶原子、间隙原子、位错、孪晶、相变、梯度结构等多方面讨论了强韧化机制,并以CrCoNi基(中)高熵合金的变形机理为切入点,分析了不同方法对合金性能的提升机理,为低层错能高强韧合金的设计提供了思路。

TiZrAlHf钛基中熵合金热变形及组织演变规律

为优化新型TiZrAlHf钛基中熵合金的热加工窗口,采用热压缩模拟实验和组织表征的方法对热变形特性、热变形组织演变规律进行研究。结果表明:TiZrAlHf合金铸锭的组织主要由片层状α相和晶界处的魏氏组织组成。合金β转变温度(Tβ)为895℃,在α/α+β相区(700~850℃)测试工艺范围内变形时,变形温度700~750℃之间存在失稳区,热变形激活能为827.514 kJ/mol,变形组织主要为球状α相,软化机制为片层状α相球化;在β相区(900~1100℃)测试工艺范围内,加工图中不存在失稳区,同时所有试样均完好,无开裂,能够采用自由锻造的方式进行开坯及改锻,热变形激活能为113.909 kJ/mol,变形组织主要为拉长的β晶粒和内部的针状α′马氏体,软化机制为动态回复;两种变形软化机制的本质均为位错的增殖、滑移和胞状结构演化。