硼元素对CoCrCu0.5FeNi高熵合金组织和性能的影响.pdf

第 卷 第 期 年 月 f畅 r畅 硼元素对 CoCrCu0 5FeNi 高熵合金组织和性能的影响 彭 振， 刘 宁， 吴朋慧， 朱 浩 （江苏科技大学 材料科学与工程学院， 江苏 镇江 ） 摘要：基于 高熵合金塑性好但强度低的特点，在其中加入少量的 元素，制备了 x（x ， ， ， ） 高熵合金，以研究 的加入对微观组织、相结构以及力学性能的影响。 研究表明， x（x ， ）高熵合金的组织主 要由枝晶，枝晶间珊瑚状组织组成，当 x 时，合金凝固前发生了液相分离，组织中出现了富 球状组织。 x高 熵合金的相结构主要由面心立方相和正交晶系相组成。 合金具有较佳的强度和塑性配合，其压缩强度和塑性分 别为 和。 关键词：高熵合金；相结构；相分离；力学性能 中图分类号：TG146 1 文献标志码：A 文章编号：0254- 6051（2017）06- 0153- 04 Effect of boron addition on microstructure and properties of CoCrCu0 5FeNi high entropy alloy ， ， ， （ ， ， ， ） Abstract： ， x（x ， ， ， ） x（x ， ） （x ）， ， - x ， ， Keywords： ； ； ； 收稿日期：- - 基金项目：国家自然科学基金（）；江苏省高校青蓝工程项目； 江苏省普通高校专业学位研究生实践创新计划项目（）；江 苏科技大学研究生科研实践计划（- ） 作者简介：彭 振（），硕士研究生，主要研究方向为高熵合金的 制备及性能，- ： - 。 通讯作者：刘 宁，博 士，副教授，主要从事凝固理 论和 高熵合 金研究 ，联系电 话： - ，- ： DOI：10 13251 j issn 0254- 6051 2017 06 034 高熵合金是由 种或以上元素组成，各组元原子 分数在 之间，具有优良的性能以及广阔的应 用前景的新型金属材料 - 。 早期开发的高熵合金均 为简 单 固 溶 体 结 构， 如 具 有 单 相 结 构 的 和 高熵合金。 由于 结构具有较多的滑移系，故单相 结构的高熵合金 具有很好的延展性，但强度不够高。 目前，研究者一般 采用形变强化 和固溶强化 的方式来强化 结 构高熵合金。 当由原子半径较大的 （ 樻 ）来代 替 （ 樻 ）或 （ 樻 ）元素时，其相组成转 变为 或者 结构，其硬度也相应的提 升。 高熵合金的相结构由两个 组成，当增加 含量时， 首先向 结构转变， 其抗压强度也随之减小。 x 高熵合金具 有面心立方和体心立方结构。 随着 含量的增加， 结构的强衍射峰的衍射强度减弱。 元素加入 中 ， 在枝晶间的偏析导致其力学 性能的下降，但合金相结构仍然是体心立方结构。 前期研究表明， 结构 高熵合金 具有较高的塑性但强度较低 。 本文在 高熵合金中加入 元素，以达到强化合金的目的。 选 择 元素的原因有以下两点： 和 、 的 混合焓分别为 、 、 、 ，混合焓 较大，容易形成硼化物，适量的硼化物可以有效提高 合金的强度 ；由于 的原子半径（ 樻 ）小于 其他元素，因此在合金的凝固过程中，扩散更加容 易，所以会导致微观组织的变化从而提高合金的力 学性能。 试验材料及方法 采用高纯（ ）的金属材料，根据高熵合金原 则，设计了 六元高熵合金，其中 、 l 第 卷 、 五种元素的摩尔比为 ， 元素摩 尔比范围为： 。 利用- 型非自耗真空电弧炉在氩气保护氛围 下熔炼合金铸锭，每个铸锭重 。 为保证成分熔炼 均匀，每个铸锭反复熔炼 次，随炉冷却。 利用线切割 机切出多组试样。 利用 - 型扫描电镜观察高熵合金微观组 织形貌，相组成使用岛津 - 型 射线衍射 仪测定，扫描速度 ，扫描范围为 。 借 助万能材料试验仪测量合金的压缩强度。 试验结果与分析 2 1 微观组织分析 如图 （）所示， 高熵合金的凝固 组织主要由树枝晶组成，枝晶间可以观察到颗粒状组 织， 结果显示，树枝晶富集 、 元素，而枝晶 间颗粒状组织富集 和 元素。 当加入少量的 元素后，枝晶间出现了珊瑚状组织（图 （），随着 的增加，珊瑚状组织的体积分数明显增加（图 （）。 此时枝晶内部富集 、 和 元素，而枝晶间珊 瑚状组织富集 和 元素。 图 x高熵合金的凝固组织 x （） x ； （） x ； （，） x 当 的摩尔比继续增大，在 和 高熵合金的凝固组织中观察到少量 的类似球状组织，如图 （，）所示，能谱分析表明其 富含 元素。 另外，在球状组织中还可以发现一些 白色针状富 组织。 这说明当 的摩尔比 时， 合金在凝固之前发生了液相分离，也就是说，在液固相 变之前液相分离成富 和贫 液相，其中富 液 相体积分数较小，在贫 液相中以球状分布。 另外 由于 与 之间具有正的混合焓，在富 液相凝 固过程中被排挤，形成针状富 组织。 在球状组织周 围区域珊瑚状组织体积分数显著增大，而发达的树枝 晶已经很难观察到，如图（，）所示。 而且凝固组织 中随着 含量的增加富 球状组织增多。 2 2 相结构和性能分析 图（）为 x高熵合金的 分 析结果。 当 x 时，该高熵合金存在两种不同的面心 立方（）结构：（类似于 ）相和 （类似于 ）相。 随着 的加入， 相消失 不见，出现了 （类似于 ）相，同时出现了具 有正交晶系结构的 的化合物相。 x高熵合金的应力- 应变曲线如图 （）所示。 显然， 高熵合金强度很低， 但塑性较好。 当 x 时，合金强度升高，没有发生 断裂；当 x 继续增加时，合金断裂，而且断口呈 。 这是由于加入 元素后，合金中形成结构类似 的化合物相，由于化合物相具有脆性，从而导致合金的 第 期彭 振，等：硼元素对 噰 高熵合金组织和性能的影响l 图 x高熵合金的相分离组织 x （，） x ； （，） x 图 x高熵合金的 图（）和 压缩应力- 应变曲线（） （） - （） x 塑性变差。 当 的摩尔比为 和 时，该高熵合金 的最大屈服强度分别为 和 ，而且最 后没有断裂，塑性较好。 当 x 逐渐增大时，合金发生断 裂，并且抗压强度逐渐减小，其中当 x 时合金具 有较佳强度和塑性配合，其压缩强度为 ，屈 服强度为 ，同时塑性应变值达到。 结论 x（x ， ， ， ）高熵合金 由简单面心立方结构以及正交晶系相组成。 当 x 和 时，微观组织主要由枝晶，枝晶间珊瑚状组织组 成。 当 x 时，合金凝固前发生了液相分离，组织 中出现了富 类球状组织，珊瑚状组织更加发达，而 枝晶组织少见。 元素加入后，形成了具有正交晶系 结构的 化合物相，合金的强度显著提高，但塑性 降低。 合金具有较佳强度和塑性配 合，其压缩强度、屈服强度和塑性应变分别为 、 和 。 参考文献： ， ， ， - ： ， ， ： - ， ， ， ： ， ， ： - 刘 亮， 张 越， 赵作福， 等热处理对 高熵合金组 织与硬度的影响金属热处理， ， （）： - l 第 卷 ， ， ， ， ， （）： - ， ， - ： ， ， （）： - 张 冲， 黄 标， 戴品强 退火处理对激光熔覆 高熵合 金涂层组织与性能的影响金属热处理， ， （）： - ， ， - ， ， （）： - ， ， ， x - ： ， ， ： - 唐群华， 蔡小勇， 戴品强 高熵合金冷轧及退火后的 晶界特征金属热处理， ， （）： - ， ， - ， ， （）： - ， ， ， ， ， - - ， ， ： - ， ， ， - - - ， ， （）： - ， ， ， - ， ， （）： - ， ： ， ， （）： - 李安敏， 张喜燕 对 - - - - 高熵合金组织与硬度的影 响有色金属， ， （）： - ， - ， ， （）： - ， ， ， - ， ， （）： - ， ， ， ， ， （）： - ， ， ， - ， ， （）： - 关于举办“第九期全国材料热处理高级研修班”的通知 （可申请参加材料热处理工程师技术资格认证） 为了进一步提高企业技术人员的业务素质，促进热处理行业的技术进步，提高机械产品的质量水平，增强企业的竞争实力，为制 造业的发展做出更大的贡献。 我会决定于 年 月 日在京举办材料热处理高级研修班，现将有关事宜具体通知如下： 一、培训内容： ）材料科学的发展过程、材料类、材料性能、组织对性能 的影响、材料组织的研究方法、改变材料组织与结构的方法。 ）热处理原理（相图 曲线、平衡状态图非平衡状 态图）：热处理的目的；热处理的加热与冷却；热处理与相变； 热处理工作者追求的目标；平衡状态图的应用；平衡状态图 与热处理的关系；钢的加热转变（珠光体奥氏体）；奥氏体 冷却转变；回火转变；碳化物形态、大小与分布的控制。 ）热处理工艺（加热冷却）：热处理工艺的制订原则、 热处理冷却方法及控制、淬透性及淬硬性、热处理常见缺陷 及防止措施。 ）结构钢的热处理：结构钢种类；结构钢的球化处理；结 构钢亚温处理；结构钢超细处理。 ）工具钢的热处理（硬度- 韧性）：工具钢对性能的要求 （耐磨性、强韧性、工艺性）；刃具钢的热处理；高速钢的热处 理；模具钢的热处理；本两讲将围绕硬度与韧性这一对矛盾 重点讲授工具钢热处理及发展趋势。 ）失效分析与质量控制：失效分类；导致意外失效的原 因；失效分析步骤；各步骤具体内容；本讲主要阐明产品质量 与失效分析的关系。 ）热处理设备的基本构成与维护使用，及其发展趋势。 ）参观第 北京国际热处理展览会。 二、培训对象：企业技术中心、产品质量检验部门主管领导和 技术骨干、高校青年教师，及相关人员等，大专以上学历。 欢 迎学员带着问题参加培训和研讨。 通过培训，学员对热处理 专业知识有个系统全面的了解和掌握，并应用于生产实际， 提高解决实际问题的能力。 三、证书：）培训结束后，由全国热处理学会组织闭卷考试， 考试合格的学员将获得全国热处理学会材料热处理工程师 课程结业证书。 ）符合条件者，可申报材料热处理工程师 技术资格认证（认证费 元 人，学会个人会费 元 年），详细