热处理工艺对高熵合金力学性能影响规律

第页共页热处理工艺对高熵合金力学性能影响规律摘要：多主元高熵合金是近年来兴起的一种新型合金材料，它的最大特点是突破了传统合金只以一种或两种金属元素为主的设计框架，从而发展出一种全新的合金。多主元高熵合金是以五种或五种以上主要元素按等摩尔比或近等摩尔比经熔炼、烧结或其他方法组合而成具有金属特性的材料.本文选取原材料Al、Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti、Si八种元素，采用真空电弧炉进行熔炼，采用维氏硬度试验，摩擦磨损试验探索热处理工艺对高熵合金力学性能影响规律.关键词：高熵合金，高熵效应，晶体结构第页共页HeattreatmentprocessofhighentropyalloymechanicalpropertiesarestudiedAbstract:Principalelementsofhighentropyalloysisonlyjustemerginginrecentyears，whichisanewtypeofmaterialscienceItsbiggestfeatureisthebreakthroughofthetraditionalalloythatonlyoneortwokindsofmetalelementsbaseddesignframework,developanewalloydesignconceptHigh-entropyalloysbasedonequimolarornearlyequimolarratiofiveormorethanfivekeyelements，takingmelting，sinteringorothermeanstogetacombinationofthemetallicmaterialThisarticleselectsAl、Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti、Siofeightelementsrawmaterials,usevacuumarcfurnacesmelting,vickershardnesstest,frictionandwearbestdotreatmentonmechanical，propertiesofhighentropyalloyarestudiedKEYWORD：highentropyalloys,effectofhighentropy,crystallinestructure第页共页目录1绪论.11.1概述.11.2选题背景、研究的目的及意义.11.3本课题研究主要内容.22文献综述.42.1高熵合金的简介.42.2多主元高熵合金的定义.42.3多主元效应.52.3.1热力学上的高熵效应.52.3.2结构上的晶格畸变效应.52.3.3动力学上的迟滞扩散效应.62.3.4性能上的“鸡尾酒”效应.62.4高熵合金的制备方法.72.4.1电弧炉熔炼法.72.4.2高频感应炉加热熔炼.82.4.3激光熔覆技术.82.4.4其他熔炼方法.82.5高熵合金的性能及特点.92.6高熵合金的应用领域.103实验方法及具体过程.133.1试样的制备.133.1.1高熵合金材料的制备.133.1.2金属材料的熔炼(电弧熔炼法).143.1.3高熵合金热处理.143.1.4试样的镶嵌.143.1.5试样的打磨.153.2维氏硬度试验.163.2.1仪器介绍.16第页共页3.2.2实验原理.163.2.3试验操作步骤.173.2.4实验注意事项.183.2.5实验内容.183.2.6实验分析结果.213.3摩擦磨损试验.213.3.1试验机机构介绍.213.3.2试验机的工作条件.223.3.3实验原理.223.3.4实验步骤.233.3.5实验内容.243.3.6实验分析结果.27结论.28参考文献.29致谢.3101绪论1.1概述合金是由两种或两种以上的金属或金属与非金属，经过熔炼、烧结或其他方法组合而成具有金属特性的材料。由于单个纯金属性能的局限性，合金正得到广泛的应用，几千年来，随着合金体系的发展，开发使用的合金系已达到三十余种。目前的合金系统大多是以单一组元为基础发展起来的，例如钢铁材料和铝合金。20世纪50年代发展的二元基金属间化合物也是以12种金属为基础的合金。非晶合金作为一种新型的合金具有优良的特性和广泛的应用潜能，所以其制备、发展和应用都得到了普遍关注，但仍就是以12种金属为基础来发展起来的。多主元高熵合金是近年来兴起的一种新型合金材料，它的最大特点是突破了传统合金只以一种或两种金属元素为主的设计框架，从而发展出一种全新的合金。多主元高熵合金是以五种或五种以上主要元素按等摩尔比或近等摩尔比经熔炼、烧结或其他方法组合而成具有金属特性的材料。主要元素的增多使合金产生高熵效应，晶体结构倾向于形成简单体心或简单面心结构，同时可能伴有晶间化合物生成，甚至在铸态就会析出纳米晶，从而起到固溶强化、沉淀强化和弥散强化效果，使高熵合金的性能比传统合金具有较大优势。1.2选题背景、研究的目的及意义材料、信息、能源被称为现代科学技术的三大支柱，而材料又是一切技术发展的物质基础。任何新的技术成就，莫不仰赖于各种相互匹配的新型材料，而新型材料中金属材料是其重要的一个方面，例如航空、航天工业所需的高温合金，核工业的核燃料、核反应堆材料，现代信息技术使用的硅、锗等半导体材料、新型磁性材料等。由于这些新技术的发展又推动研制新的材料品种和发展新的冶金生产工艺和装备。由此可见，金属材料的开发和研究是科学技术的一个基本领域。多主元高熵合金是多种主要元素的合金，其中每种主要元素都具有较高的原子百分比，但是每种元素的原子百分数不能超过35%，也就是说这种合金是由多种元素集体起作用而便显出其特性。为了区别于传统合金，且充分发挥多元素搞混乱度效1应，高熵合金的主要元素数n5。熵是热力学上代表混乱度的一个参数，混乱度越大，熵就越大。搞混和熵不但能够简化多主元高熵合金的显微结构，而且还能使显微结构纳米化甚至非晶化，这种与传统合金迥异的显微结构使高熵合金拥有独特的机械性能、物理性能和和化学性能，进而使得相比于趋于饱和的传统合金体系，高熵合金具有很大的应用潜力。传统合金的发展已经趋于饱和，突破以一种或者两种元素为主的传统发展框架已是冶金学家追求的一个目标。高熵合金就是在这样的背景下发展起来的。但至今，对高熵合金无论是理论还是试验的研究都是非常少，人们对其合金化的机理以及其中涉及到的诸多科学问题基本上还没有什么认识。实际上，现在出现的一些高熵合金体系也只是通过“鸡尾酒”方法调配而成，还没有科学系统的选择合金元素的理论。另外对他们凝固后的组织形成以及各种物理化学性能都还没有清晰的认识。高熵合金的研究具有前瞻性，具有学术研究及应用价值。由于应用潜力多元化，面对的产业也多元化。因此传统合金工业的升级级高科技产业的发展也将为高熵合金开辟过阔的发展空间，对传统冶金和钢铁行业的提升具有重要意义。1.3本课题研究主要内容高熵合金的研究现在还处于初级阶段，无论是从理论上，还是从具体实验的设置及结果上，所出的成果还是很少。人们对高熵合金的合金化过程机理及其中涉及到的诸多科学问题，基本上还没有很好的认识和解释。对于怎样选择合金的元素种类，也没有科学的依据可循。此外，对高熵合金凝固后的微观组织结构、相的成分与合金的机械性能、物理性能和化学性能之间的关系，也还没有找到其间的规律性。因此有待于开展这方面的研究工作，探索其组织和性能的形成机理及其影响规律。本文主要采用具体途径，采用热处理工艺对AlCrCoFeNiMoTiSi八主元合金的力学性能的影响。选取原材料Al、Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti、Si，其纯度为99.5%以上，按摩尔比为1:1:1:1:1:1:0.75:0.25配置合金，用真空电弧炉熔铸AlCrCoFeNiMoTiSi髙熵合金。研究合金铸态与退火态的力学性能，以及热处理工艺对八元合金的力学性能的影响，主要包括常温时材料的压缩强度、硬度、耐磨性。主要做以下几方面的工作：（1）选择日常使用的金属材料，通过热处理工艺手段，研究其对合金力学性能2的影响，比较不同热处理后的AlCrCoFeNiMoTiSi髙熵合金的力学性能，分析它们的力学性能优劣。通过淬火时间上的变化来研究其对高熵合金力学性能的影响。（2）利用洛氏硬度计测试高熵合金及其退火后的硬度；通过磨损试验测量高熵合金及其退火后的耐磨损性能。通过以上实验数据，分析热处理工艺对高熵合金力学性能的影响。32文献综述2.1高熵合金的简介高熵合金的提出是基于20世纪90年代大块非晶合金的开发，人们都致力于寻找具有超高玻璃化形成能力的合金。有人认为非晶或玻璃的原子混乱度高或熵高，而高熵必然导致高的玻璃化形成能力，所以有人提出一个混乱理论。但是，后来有学者发现高熵和高的玻璃化形成能力并不一致，倒是发现有些高混合熵合金可以形成单相固溶体。对此，叶均蔚等认为这种固溶体是高混合熵稳定的固溶体，因此命名为高熵合金。至于为什么高混合熵合金玻璃化形成能力并不高，张勇等统计了大量的高混合熵合金，从原子尺寸差，混合焓和混合熵角度作了系统分析，并用Adam-Gibbs方程作出了解释。已有的研究报道发现，高熵合金具有一些传统合金所无法比拟的优异性能，如高强度、高硬度、高耐磨耐腐蚀性、高热阻、高电阻等，从而成为在材料科学和凝聚态物理领域中继大块非晶之后一个新的研究热点。目前，高熵合金的研究多是集中在铸态下的性能测试，我们知道铸态下的产品有着天然的性能缺陷(如由于热胀冷缩造成的空洞、疏松等)，而对其热处理、热加工后的性能研究缺少有报道。有人曾预言，未来几十年内，最有发展潜力的三大研究热点是大块非晶、复合材料和高熵合金。2.2多主元高熵合金的定义多主元高熵合金由至少五种以上的主要元素构成，混合熵对于这类合金而言扮演了一个十分重要的角色。熵是热力学上代表混乱度的一个参数，混乱度越大，熵就越大。根据Toltzmann关于熵变与系统混乱度关系的假设，n种等摩尔元素混合形成固溶体时的熵变（配位熵）=，当、和时，分别为confSRl2n35confS、和。如果考虑原子震动组态、电子组态、磁矩组态等的正贡献，R69.01.R6.系统的熵变还要大。传统合金以一种元素为主，其混合熵约小于每摩尔0.693R。为了于传统合金有明显的区别，且充分发挥多主元高乱度的的效应，一般定义高熵合金的主要元素数目n5。基于以上估算，如果将合金世界以混合熵来区分，传统合金属于低熵合金的范畴，中熵合金则介于低熵合金与高熵合金之间，次范畴主要是4指主元素的个数为24。2.3多主元效应高熵合金之所以微观结构上具有简单结构的固溶体，不倾向于出现金属间化合物，倾向于纳米化，甚至非晶；性能上，具有高的强度、硬度与加工硬化性，耐高温氧化与软化，具有良好的耐磨与耐蚀性，电阻率高等优于传统合金的特征，是因为这些结构与性能特性都源于高熵合金具有多主元效应，具体表现如下几个方面。2.3.1热力学上的高熵效应当合金由两种元素等原子比混合时其合金熔体的混合熵为069R，而由五种元素组成的等原子比合金熔体的混合熵已经可以达到161R，面一般金属合金的熔化熵为1R左右。可以看出，高熵合金的混合熵要明显高于传统金属合金。同时从图中也可以看出，当等原子比合金熔体的混合熵随合金组元数的增加而增加，但是当组元数超过13以后，其合金熔体的混合熵增长的幅度将趋于平缓。对高熵合金的研究表明，当合金由多种主要元素组成时，将产生高熵效应，形成具有体心立方或面心立方等简单晶体结构的固溶体相。这种现象可以根据Gibbs自由能方程解释：Gmix=Hmix-TSmix当混合焓改变不大时，混和熵越高，Gibbs自由能越负，体系的相越稳定，由此表明，具有高熵状态的固溶体形态可能是高熵合金的稳定态。混合熵与混合焓处于相互竞争的地位，在高温阶段混合熵起主导作用。因此，随机互溶状态下高熵合金较大的混合熵就会相当程度地扩展端际固溶体或金属间化合物的溶解范围，从而形成简单的多组元互溶相，这种情况在高温阶段尤为明显。高的混合熵增进了元素间的兼容性，避免发生相分离而导致端际固溶体或金属间化合物的生成。2.3.2结构上的晶格畸变效应5高熵合金包含五种以上主要元素，因为各种元素的原子尺寸大小都不一样，如图2.1，包含多种元素的晶格严重畸变，产生强大的晶格畸变能，如果晶格畸变能太高，将无法保持晶体的构型，畸变的晶格将会坍塌而形成非晶相。晶格畸变大大影响合金的物理化学性能，如导致固溶强化，影响合金的导电性、磁性、导热性等。图2.1六主元合金的原子排列2.3.3动力学上的迟滞扩散效应相变取决于原子扩散，它需要组元之间的协同扩散才能达到不同相的平衡分离。这种必要的协同扩散，以及阻碍原子运动的晶格畸变，都会限制高熵合金中的有效扩散速率。在高熵合金的铸造过程中，冷却时的相分离在高温区间通常被抑制从而延迟到低温区间。2.3.4性能上的“鸡尾酒”效应鸡尾酒的英文名称是Cocktail，是一种以蒸馏酒为酒基，再配以果汁、汽水、矿泉水、利口酒等辅助酒水，水果、奶油、冰淋、果冻、布丁及其他装饰材料调制而成的色、香、味、形俱佳的艺术酒品。它兼具了酒与果汁的长处，而淘汰了自身的缺点。勾兑出效应，融合成优势这被人们称之为“鸡尾酒效应”。对于高熵合金出现的各种优良的结构与性能，S.Ranganathan称之为“MultimetallicCocktails”，也就是说这种新型的合金也有“鸡尾酒效应”，因为合金包含有多种元素，各种元素之间相互作用，兼具了各种元素的基本特性，又淘汰了各自的缺点，呈现出一种复合效应。可以通过添加或改变某些元素的含量，改善合金的微结构，加强其在合金中的特性，在不损害合金的性能的基础上提升合金的某些性能。例如添加B元素可以提高合金的耐磨性与高温压缩性能；Co、Cu、Ni元素促进FCC结构的6生成，而Al、Cr促进BCC结构的生成，影响合金的强度。2.4高熵合金的制备方法2.4.1电弧炉熔炼法真空电弧如图2.2所示，由炉体、电源、真空系统、电控系统、光学系统和水冷系统组成。炉体部分由炉壳、电极、结晶器及电极升降装置构成。工作时，在电极(负极)和水冷铜结晶器(正极)形成的两极之间，建立低电压(2040V)大电流(若干kA)，产生电弧放电，靠电弧释放出的热量来熔化金属。电炉一般是直流供电，一根电极。按照熔炼过程中电极是否消耗(熔化)，分成非自耗电极电弧炉熔炼和自耗电极电弧炉熔炼两种。非自耗电弧炉，电极用钨等高熔点材料制成，电弧熔炼时电极本身并不熔化，是永久性的。自耗电极电弧炉的电极采用被熔炼材料制成，如熔炼钛时电极通常用海绵钛压制而成，在熔炼过程中电极本身被熔化。电极升降装置随着电极的不断消耗使电极稳定下降，以保持两极的距离和电弧的稳定。真空自耗电弧炉熔炼一般是在1.31.310-1Pa的炉内压力下进行。电弧温度可高达5000K。电极熔化的液滴通过弧区时，便会产生强烈的挥发、分解、化合等脱气、去除杂质的净化作用，然后滴入水冷铜结晶器中凝固成铸锭。真空电弧熔炼不使用耐火材料，熔炼高熔点难熔金属钨、钼、钽、铌和活性很高的钛和锆时可不受耐火材料的污染。炉料边熔化边凝固可消除缩孔、中心疏松和偏析等常见铸锭缺陷，使加工性能优良。图2.2真空电弧炉72.4.2高频感应炉加热熔炼熔炼中要加入适量的净化剂，用于净化除去金属液中氧化渣并对金属液起保护作用，防止金属在熔炼过程中过多的氧化。在浇注前应将金属液静止一段时间，以利杂质的浮起和金属液成分的均匀，最后将净化剂捞出，以防止在金属液浇注过程中氧化渣难以浮起，凝固于合金中，影响金属合金的性能。为了减少熔炼工程的金属元素的氧化量，各种成分元素的添加应具有一定的顺序，例如容易烧损金属铝，应待其他金属熔化后再加入到熔炼坩埚中。2.4.3激光熔覆技术激光熔覆主要用于涂层的制备，激光熔覆是指以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低，与基体成冶金结合的表面涂层，显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法，从而达到表面改性或修复的目的，既满足了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素。与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点，因此激光熔覆技术应用前景十分广阔。另外，制备合金薄膜的方法还有电化学沉积和磁控溅射等方法，但这些方法所制备的薄膜厚度仅能够达到微米尺度，难以发挥高熵合金力学性能方面的优势，且对基底材料有一定的要求。激光熔覆具有快速加热和快速凝固的特点，所能制备的涂层厚度可达到毫米以上，目前激光熔覆技术已经用于制备非晶涂层。2.4.4其他熔炼方法此外高熵合金还可以用机械合金化法和真空熔体快淬法等。机械合金化(MA)是一种非平衡态粉末固态合金化方法，其特点突出表现在材料制备过程中的非平衡性和强制性;高熵合金薄带的制备方法主要是真空熔体快淬法,其基本的工作原理是：将预先熔炼得到的铸锭装入石英管进行二次熔化，这个过程在封闭的保护气氛或真空下进行，然后将融化的过热液态合金喷射到按照设定转速旋转的水冷铜模上，合金被快速冷却而形成薄带。这种方法具有极高的冷速，可以使多种金属及合金形成8非晶态结构，所制备的非晶薄带具有特殊的力学及物理性能。2.5高熵合金的性能及特点鉴于高熵合金拥有特殊的理论依据和设计理念，因此高熵合金与传统合金相比也拥有与众不同的特点，下面进行总结：(1)高熵合金倾向于形成简单相结构的BCC或FCC固溶体。根据吉布斯自由能公式所示：mixmixmixSTHG式中T为热力学温度，Hmix为混合焓，Smix为混合熵，Gmix为吉布斯自由能。由公式很容易看出混合焓和混合熵之间的关系是相互对立、相互制约的，合金自由能便是它们结合的产物。简单BCC和FCC结构固溶体的形成需要较低的自由能，而高熵合金的混合熵很高，这就使得合金的自由能极低，合金最终倾向于形成简单固溶体相。(2)高熵合金仅在铸态或是完全回火态下就会析出纳米晶颗粒。这是因为高熵合金在熔炼时，各元素熔化后的原子混乱排列，凝固时这些原子很难进行扩散和再分配，这就有利于在合金基体内部形成纳米晶颗粒。(3)高熵合金拥有极大的混乱度，特别是在高温下，其混乱度将会变得更大。根据合金自由能越低，则合金系统越趋于稳定的原则，高熵合金在高温下的稳定性依然极高，固溶强化依然存在，因此合金拥有极高的高温强度。研究表明，高熵合金在1000的高温下进行长时间(约12小时)的热处理后，硬度不降反升，与传统合金形成了鲜明的对比，如下表2.1所示。9表2.1高熵合金与传统合金回火比较AlloysHardness(HV)as-castHardness(HV)annealedCuTiVFeNiZr590600AlTiVFeNiZr800790MoTiVFeNiZrCo740760CuTiVFeNiZrCo630620AlTiVFeNiZrCo790800MoTiVFeNiZrCo790790CuTiVFeNiZrCoCr680680AlTiVFeNiZrCoCr780890MoTiVFeNiZrCoCr850850316StainlessSteel18915517-1PHstainlessSteel410362HasetlloyC236280Stellite6413494Ti-6Al-4V412341(4)高熵合金以简单BCC和FCC结构固溶体存在时，由于组成元素之间在原子半径、晶体结构等方面存在差异，高熵合金的固溶强化会产生强效，导致位错在合金内部难以进行，因此合金硬度和强度都较高：而当高熵合金以非晶结构存在时，更是不存在位错，因此合金性能更强。(5)高熵合金的主要组成元素至少5种以上，合金的晶格扭曲情况十分严重，因此合金的物理、化学性能以及机械性能也将会产生极大的变化。(6)高熵合金中总有一些元素，如Al元素，会使合金产生致密氧化物，而高熵合金通常都具有纳米晶、非晶、单相、低自由焓的特性，因此高熵合金的耐腐蚀性能比传统合金更为优秀。2.6高熵合金的应用领域1.高速切削用刀具高熵合金具有较高的硬度和耐磨性。多数高熵合金的铸态组织硬度为600900HV，相当于或者大于碳钢及合金碳钢的完全淬火硬化后的硬度；改变合金元素的含量，还可进一步提高合金的硬度。而且高熵合金还通常表现出很高的耐热性，例如，Al0.3CoCrFeNiC0.1高熵合金在7001000时效处理72h后，合金硬度非10但没有下降，反而有不同程度的提升普通高速钢，如W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2的有效切削加工温度在600以内，温度再高，刀具会明显钝化。此外，高速钢刃具在获得高硬度、高耐磨性的同时，牺牲了钢材的塑性、韧性。钢材塑性、韧性较差，则刀具常常出现折断、崩刃等失效形式。而高熵合金在获得高硬度的同时，具有较好的塑性、韧性。例如，FeCoNiCrCuAl0.5经50%压下率冷压（即冷压合金时的塑性变形量达到50）后，非但没有出现任何裂纹，反而在枝晶内部出现了纳米结构，大小约数纳米到数十纳米，合金硬度得到进一步提升；AlCoCrFeNiTi1.5在32%13以内的压下率内冷压，也表现出非常好的延展性。这么大比例的压下率，对于高速钢来说是不可想象的。故而高熵合金应用于高速切削刀具的制造具有明显的优势。此外，磁控溅射法制备高熵合金镀膜的成功，可以在普通钢制刀具表面镀上一层高熵合金薄膜，镀膜厚度在2.5m以内。这样一来，既可以获得良好的切削加工性能，又能节约成本。2.各类工、模具高熵合金具有高硬度、高耐磨性、高强度及优良的耐高温性能、耐蚀性，使之非常适合制备各类工、模具，尤其是挤压模和塑料模。例如，AlCoCrFeNiTi1.5的抗压强度高达2.22GPa，含有Cr或Al的高熵合金具有高达1100的优异抗氧化性能14。普通模具钢则无法兼顾耐磨性、耐蚀性、耐高温性及良好的塑性。3.高尔夫球头高硬度、高耐磨性和较低的弹性模量，使高熵合金非常适合制作高尔夫球头打击面。高熵合金制成的高尔夫球头，可以在保证球头打击面具有较长使用寿命的同时，将球击打得更远，从而提升产品档次，增加产品附加值。4.超高大楼的耐火骨架美国“911”事件中，双塔的整体坍塌很大程度上是因为大楼骨架钢筋受热后强度急剧下降，从而无法负荷大楼重量所致。随着土地资源的紧缺，国内外修建超高大楼的案例将越来越多，因而超高大楼的耐火安全性正引起人们越来越多的重视。高熵合金具有极高的抗压强度和优良的耐高温性能，用做超高大楼的耐火骨架，可以使大楼在发生意外火灾而导致楼体温度较高时保持原有的承重能力，保证大楼的安全，减少人员和财产的损失。5.化学工程、船舶的耐蚀高强度材料11高熵合金的耐蚀性优异。室温条件下，高熵合金Cu0.5NiAlCoCrFeSi在1mol/L的NaCl和0.5mol/L的H2SO4溶液中的耐蚀性比304不锈钢（相当于我国钢号中的OCr18Ni9）还要好；CuAlNiCrTiSi合金在5%的HCl溶液中比304不锈钢更加耐蚀，在10%的NaOH溶液中也远比A309铝合金耐蚀。因此，高熵合金可广泛用于耐高压、耐腐蚀化工容器及船舶上的高强度耐蚀件。6.涡轮叶片高熵合金良好的塑性使其易于制成涡轮叶片，而其优良的耐蚀性、耐磨性、高加工硬化率及耐高温性能，可保证涡轮叶片长期、稳定地工作，减少叶片的磨损、腐蚀失效。7.电子器件、通讯领域高熵合金具有软磁性及高电阻率，因而在高频通讯器件中有很大的应用潜力1。可用以制作高频变压器、马达的磁芯、磁屏蔽、磁头、磁碟、磁光碟、以及喇叭等。8.其它高熵合金集众多优异性能于一身，可以应用的工业领域非常广阔。除了上面提到的领域外，高熵合金还可用作焊接材料、热交换器及高温炉的材料等。高熵合金的非晶形成能力较强，某些高熵合金能在铸态组织中形成非晶相。而传统合金要获得非晶组织，需要极大的冷却速度将液态原子无规则分布的组织保留到室温。非晶态金属的研究是近年来才兴起的，由于结构中无位错，具有很高的强度、硬度、塑性、韧性、耐蚀性及特殊的磁学性能等，应用也极为广泛。制备非晶态高熵合金无疑将进一步扩大高熵合金的应用领域。高熵合金的应用实例如图2.3所示。(a)钻头；(b)高熵合金涂层的锻压模；(C)高尔夫球头；(d)高熵合金涂层的祸轮。12图2.3高熵合金的应用实例3实验方法及具体过程3.1试样的制备3.1.1高熵合金材料的制备本次选用A1、Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti和Si八种元素,所选原材料均为纯度达到99.5%以上金属材料，查找各元素的相对原子质量，按比例称取元素，要求高熵合金粉末总重在3050克之间。其中Cr、Co、Fe、Ni、Ti五种金属由于都是块状，硬度比较大，采用线切割手段进行切割称取所需质量，Al由于硬度比较小采用锯条进行切割，Mo和Si为粉末状的，配料较为容易。表3.1高熵合金涂层材料成分元素AlCrCoFeNiMoTiSi摩尔质量(gmol)26.9852.0058.9355.8558.6954.9447.8728.09摩尔数(mol)0.1250.1250.1250.1250.1250.1250.093750.03125称重(g)3.376.57.376.987.346.874.490.88表3.2为高熵合金组元元素的基本性质元素晶体结构原半径()熔点(K)沸点(K)晶格常数()AlFCC1.82933.2527404.049CrBCC1.25213029452.91CoHexagonal1.2517683201a=2.500,b=4.069FeBCC1.24180931352.866NiFCC1.25172631873.524TiHexagonal1.4519433562a=2.951,b=4.679Si金刚石型14313MoBCC2.01261746123.15本论文主要研究高熵合金系列为AlCrCoFeNiMoTi（0.75）Si（0.25）。通过计算并且利用电子天平配置出高熵合金所需量。3.1.2金属材料的熔炼(电弧熔炼法)本次采用真空电弧进行熔炼。工作时，在电极(负极)和水冷铜结晶器(正极)形成的两极之间，建立低电压(2040V)大电流(若干kA)，产生电弧放电，靠电弧释放出的热量来熔化金属。电炉一般是直流供电，一根电极。按照熔炼过程中电极是否消耗(熔化)，分成非自耗电极电弧炉熔炼和自耗电极电弧炉熔炼两种。非自耗电弧炉，电极用钨等高熔点材料制成，电弧熔炼时电极本身并不熔化，永久性的。自耗电极电弧炉的电极采用被熔炼材料制成，如熔炼钛时电极通常用海绵钛压制而成，在熔炼过程中电极本身被熔化。电极升降装置随着电极的不断消耗使电极稳定下降，以保持两极的距离和电弧的稳定。真空自耗电弧炉熔炼一般是在1.31.310-1Pa的炉内压力下进行。电弧温度可高达5000K。电极熔化的液滴通过弧区时，便会产生强烈的挥发、分解、化合等脱气、去除杂质的净化作用，然后滴入水冷铜结晶器中凝固成铸锭。真空电弧熔炼不使用耐火材料，熔炼高熔点难熔金属钨、钼、钽、铌和活性很高的钛和锆时可不受耐火材料的污染。炉料边熔化边凝固可消除缩孔、中心疏松和偏析等常见铸锭缺陷，使加工性能优良。3.1.3高熵合金热处理本次设计需要比较热处理前后对高熵合金力学性能的影响规律，所以需要准备三块材料，第一块材料不进行任何处理作为对比材料，其它两块分别放在两个加热炉中，温度都选定为800，时间上一个试样进行8小时热处理，另一个试样进行10小时热处理，时间达到后关闭加热炉开关，但是两个试样都必须随炉冷却。3.1.4试样的镶嵌1.仪器介绍ZXQ-1自动金相岩相试样镶嵌机，是样件镶嵌、磨抛前一道工序，对于微小并不14易手拿或不规则的金相岩相试样进行镶嵌。经镶嵌后便于对试样进行磨抛操作也有利于在金相显微镜下正常地观察材料的组织。本机能自动加温、加压，到了压制成形后自动停机卸压，再按一下按钮自动压制样件就自动上来，即可取件。注：只限于热固性材料（如电脲醛塑料粉、胶木粉之类），温度已调整和自动。2.金相试样镶嵌机操作步骤（1)先将定时器指向ON位置，打开电源开关，将镶嵌温度设定在140；（2）顺时针转到手轮，将下模升起，将试样放在下模上，再逆时针转动手轮，将下模下降到极限位置；（3）在钢模套腔内加入热固性塑料，放上上模；(4)合上盖板，然后转动手轮，试下模上升到压力指示灯亮，如在加热过程中指示灯灭，请在继续加热到灯亮；(5)加热、恒温15到20分钟，使试样成型，然后逆时针转动手轮使下模下降；(6)松开旋钮和盖板，在顺时针转动手轮，顶出试样。图3.1ZXQ-1自动金相岩相试样镶嵌机3.1.5试样的打磨用不同型号的砂纸打磨基体表面，放在煤油中清洗，最后再用电吹风机将基体表面彻底吹干。153.2维氏硬度试验3.2.1仪器介绍HV-1000型维氏硬度计是光机电一体化的高新技术产品，该机器造型新颖，具有良好的可靠性，可操作性和直观性，是采用精密机械技术和光电技术的新型维氏和努普硬度测试仪器。该机采用计算机软件编程，光学测量系统。通过软键输入，可选择维氏和努氏硬度的测量、能调节测量光源的强弱，能选择保荷时间，在LCD显示屏上能显示试验方法、试验力，通过面板输入测量压痕对角线长度、屏幕直接读出硬度值，简便了查表的繁琐。使用方便，测量精度高。硬度计适用于测定微小、薄形、表面渗镀层试件的维氏硬度和测定玻璃、陶瓷、玛瑙、人造宝石等较脆而又硬材料的努普硬度。是科研机构、企业及质检部门进行研究和检测的理想的硬度测试仪器。图3.2HV-1000型维氏硬度计3.2.2实验原理维氏硬度试验原理基本上和布氏硬度相同，所不同的是压头用金刚石正四棱锥压头。正四棱锥两对面的夹角为136，底面为正方形，如图3-1所示。维氏硬度试验基本原理是将两相对面夹角为136（两相对棱夹角为148642）的金刚石正四棱锥压头，在一定的试验力作用下压入试样表面，保持一定的时间后，卸除试验力，测量压痕对角线长度，如图3-2所示，以试验力除以压痕锥形表面积所得的商表示维氏硬度值。16图3.3维氏金刚石棱锥压头-图图3.4维氏硬度试验基本原理图维氏硬度的计算公式为：式中：HV维氏硬度值（kgf/mm2）F试验力（kgf）S压痕锥形表面积（mm2）d压痕对角线平均长度（mm）压头两相对面夹角（136）当试验力的单位为N时，维氏硬度值可由下面的公式得出：3.2.3试验操作步骤1据试样材料及预计硬度范围，选择压头类型和初、主载荷。2根据试样形状和大小，选择适宜工作台，将试样平稳地放在工作台上。3顺时针方向转动工作台升降手轮，将试样与压头缓慢接触。174加主载荷应在48秒内完成。待指针停止转动后，再将主载荷卸除。5逆时针方向旋转手轮，降下工作台，取下试样，或移动试样选择新的部位,继续进行实验。3.2.4实验注意事项1.在使用本仪器前应仔细阅读使用说明书，详细了解仪器操作步骤及使用注意事项，避免由于使用不当而造成仪器损坏。2.仪器电器元件、开关、插座安装位置严禁自行拆装，如果擅自拆装将可能出错而引发安全事故。3.本仪器试验力在加载或试验力未卸除的情况下，严禁转动压头，否则会造成仪器损坏。只能等试验力卸除后主屏幕回到操作界面时，才能转动压头。4.仪器在测量状态下，请不要施加试验力，如不小心按启动键，这时不能转动压头，只有等待试验力施加完毕后，才能转动压头。5.金刚石压头（1)压头和压头轴是仪器非常重要的部分，因此在操作时要十分小心不能触及压头。（2)为了保证测试精度，压头应保证清洁，当沾上了油污或灰尘时可用脱脂绵沾上酒精（工业用）压头顶尖处小心轻擦干净。6.目镜（1)由于各人眼睛的视差，观察目镜视场内的刻线可能模糊，因此观察者换人时，应先微量转动目镜上的眼罩，使观察到视场内的刻线清晰。（2)目镜插在目镜管内，要注意应插到底，不能留有间隙，否则会影响到测量的准确度，当测量压痕对角线时，须测量其顶点，然后转90再测量另一对顶点。3.2.5实验内容本次试验为测量高熵合金的硬度试验，此高熵合金所用的元素Al、Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti、Si的摩尔量比值为1:1:1:1:1:1:0.75:0.25，测试3个试样的硬度。试样经过打磨、抛光，在数字显微硬度仪进行显微硬度的测量，载荷为200gf(1.96N)，加载时间为10s。181、未经过热处理的试件硬度试样1测试零件名称(Nameofthehardwareinthetest):测试零件名称测试时间(Testtime):2014-05-2117:13:10试样号(SampleNo.):仪器号(InsturmentNo.):MICRO-586试验力(TestForce):200力保持时间(Durationofforce):10试验次数(TestTimes):4显微镜倍率(MicroscopeMagnification):40压头钢球直径(Presssteelballdiameter):2.5试验值(TestValue):第1次(1times):d1=32.470d2=30.176HV=403.01HB=394.34第2次(2times):d1=28.411d2=30.176HV=457.20HB=443.20第3次(3times):d1=27.529d2=28.058HV=505.11HB=484.60第4次(4times):d1=28.411d2=27.529HV=499.07HB=479.31平均值(AverageVlaue):466.10极差(Range):102.10最大值(Max.Vlaue):505.11分散度(Disperse):21.91%最小值(Min.Vlaue):403.012、经过热处理8小时的试件硬度试样2测试零件名称(Nameofthehardwareinthetest):测试零件名称测试时间(Testtime):2014-05-2416:18:01试样号(SampleNo.):仪器号(InsturmentNo.):MICRO-586试验力(TestForce):200力保持时间(Durationofforce):10试验次数(TestTimes):5显微镜倍率(MicroscopeMagnification):40压头钢球直径(Presssteelballdiameter):2.5试验值(TestValue):第1次(1times):d1=32.470d2=29.647HV=409.47HB=399.73第2次(2times):d1=25.411d2=24.529HV=619.82HB=0.00第3次(3times):d1=26.647d2=22.941HV=628.30HB=0.00第4次(4times):d1=25.941d2=25.058HV=595.38HB=0.0019第5次(5times):d1=26.823d2=27.882HV=520.71HB=497.25平均值(AverageVlaue):554.74极差(Range):218.83最大值(Max.Vlaue):628.30分散度(Disperse):39.45%最小值(Min.Vlaue):409.473、经过热处理10小时的试件硬度试样3测试零件名称(Nameofthehardwareinthetest):测试零件名称测试时间(Testtime):2014-05-2117:24:07试样号(SampleNo.):仪器号(InsturmentNo.):MICRO-586试验力(TestForce):200力保持时间(Durationofforce):10试验次数(TestTimes):4显微镜倍率(MicroscopeMagnification):40压头钢球直径(Presssteelballdiameter):2.5试验值(TestValue):第1次(1times):d1=27.352d2=28.235HV=505.11HB=484.60第2次(2times):d1=27.529d2=28.411HV=499.07HB=479.31第3次(3times):d1=26.823d2=28.411HV=511.26HB=489.70第4次(4times):d1=26.999d2=27.352HV=527.19HB=379.09平均值(AverageVlaue):510.66极差(Range):28.12最大值(Max.Vlaue):527.19分散度(Disperse):5.51%最小值(Min.Vlaue):499.07表3.3试样的显微硬度试样号测试点1测试点2测试点3测设点4平均值极差值1403.01457.20505.11499.07466.10102.102520.71619.82628.30595.38591.05108.113505.11499.07511.26527.19510.6628.12204、由实验数据明显可以看出：（1）高熵合金经过热处理后，其硬度明显升高，硬度的升高有两种可能：一是由于共晶组织随着退火温度的升高而球化、细小化、均匀化的分布于初生相之间和金属间化合物的生成强化了合金；二是因为具有体心立方结构的相的增多与金属间化合物的生成，有效地提高了合金的硬度。（2）热处理时间短的高熵合金相对要比热处理时间长的高熵合金硬度要高，主要原因是经过更长时间的热处理以后高熵合金晶体结构发生变化，破坏了合金结构，使得硬度明显下降。3.2.6实验分析结果金属的硬度是指金属材料局部抵抗硬物压入其表面的能力，它是衡量金属材料软硬程度的一个重要指标，能够敏感的反应出材料对塑性形变、摩擦磨损和抵抗切削的能力。从以上高熵合金实验数据可以看出,经过热处理后的高熵合金硬度明显高于未经过热处理后的高熵合金的硬度。3.3摩擦磨损试验3.3.1试验机机构介绍该试验机由主机、控制柜、计算机控制系统及附具组成，具体见外观图3-3。图3.5MMW-1立式万能摩擦磨损试验机1.主机部分21主机由主轴驱动系统，摩擦副专用夹具，高温炉，试验力传感器，摩擦力测