高熵合金相形成规律与合金设计

根据高熵合金相形成规律和合金设计研究的进展,概括了两类高熵合金的设计方法:参数计算法和计算机模拟法。参数计算法中详细介绍了混合焓、混合熵、原子半径差异、电负性差异等各参数对高熵合金中固溶体相、拓扑密排相、非晶相和共晶高熵合金的形成规律以及价电子对固溶体的晶体结构影响和性能的影响规律及合金设计方法。计算机模拟方法中概括了第一性原理计算、分子动力学和相图模拟3种方法在高熵合金设计中的应用。     

Al基五元高熵合金的热力学研究

高熵合金具有高硬度、高强度、良好的耐磨性以及耐腐蚀性等优异性能。高熵合金一般由5种或5种以上金属元素组成,不同金属元素可以提高合金内部混乱程度,形成具有简单晶格结构的固溶体相。Miedema理论和几何扩展模型可以计算多组元合金固溶状态的混合焓,而混合焓对高熵合金的固溶相的形成有重要影响。本文利用扩展Miedema理论计算Alx(CuMgSi-T)1-x (T=Ag, As, Au, B, Ba, Be, Bi, C, Ca, Cd, Co, Cr, Cs, Fe, Ga, Ge, Hf, Hg,In, Ir, K, La, Li, Mn, Mo, N, Na, Nb, Ni, Os, P, Pb, Pd, Pt, Rb, Re, Rh, Ru, Sb, Sc, Sn, Sr, Ta, Tc, Ti, Tl, V, W, Y, Zn, Zr)五元合金体系固溶状态的混合焓,用已有高熵合金混合焓和原子尺寸判据来预测了Alx(CuMgSi-T)1-x五元高熵合金的成分范围。计算结果表明,Alx(CuMgSi-T)1-x(T=Ag, As, Au, Cd, Co, Cr, Fe, Ga, Ge, Hf, Hg, In, Ir, Li, Mn, Mo, Nb,Ni, Os, Pd, Pt, Re, Rh, Ru, Sb, Sc, Sn, Ta, Tc, Ti, V, W, Zn, Zr)五元体系合金混合焓和原子尺寸方均差δ参数满足相关判据,易于形成五元高熵合金。采用混合焓和δ参数判据可以预测高熵合金的成分,为高熵合金设计提供较为精确的热力学数据。     

Al、Ni对AlCoCrFeNiTi_(0.5)高熵合金组织结构的影响

研究了偏析元素Al、Ni的含量对Al Co Cr Fe Ni Ti0.5高熵合金组织结构的影响。采用XRD和SEM对该合金的组织进行了检测,分析了混合熵、混合焓、原子半径差、平均价电子浓度变化与组织结构变化的影响规律。结果表明:Al元素含量减小,合金中析出了FCC相,且合金组织形貌影受响明显;Ni元素含量减小,合金中BCC相衍射峰的强度增大;Al、Ni元素含量同时降低,合金中析出了σ相等金属间化合物相,且合金硬度增大。     

Zr、Ti、Hf、Nb对NiAl非晶合金形成的亚规则模型

将亚规则模型应用于Zr、Ti、Hf、Nb对NiAl合金的非晶形成能力的影响研究,发现Zr、Hf的影响要大于Ti、Nb,其原因在于Zr、Hf与Ni、Al的原子尺寸差异要大于Ti、Nb与Ni、Al间的原子尺寸差异。     

AlCoCrCuFe高熵合金的组织结构与相演变

利用真空电弧熔炼法制备了AlCoCrCuFe高熵合金。采用XRD、SEM、EDS测试了AlCoCrCuFe高熵合金的物相结构和显微组织。结果表明:AlCoCrCuFe高熵合金是由BCC与FCC混合双相组成,其显微结构为典型的树枝晶,由富Al、Co、Cr与Fe元素的枝晶区域和富Cu元素晶间区域构成,这与合金元素的混合焓、晶体结构和原子半径差有关。枝晶区域为网格层状的调幅分解组织,枝晶边界附近有纳米颗粒析出,这主要是由于原子混乱度高、原子半径差大和迟滞扩散效应所引起的。     

高过冷度Zr-Cu-Ni-Al-Hf-Ti块体非晶合金

以Hf和Ti作为替换元素对Zr60Cu20Nil0Al10非晶合金进行了掺杂(替换法)研究．结果表明，掺杂元素含量有一最佳范围，其中，Ti的最佳含量约为2％(原子分数)左右，而Hf的最佳含量为3％．在最佳含量时二者都具有明显的扩大合金过冷温度区间ΔTx的作用．超过最佳掺杂量，会使非晶相变得不稳定，促进某些晶化相的形成，从而降低ΔTx．当采用Hf和Ti两种元素的最佳含量联合掺杂时，稳定非晶相的作用更加明显，并且ΔTx提高的幅度大于两种元素单独掺杂时的效果．ΔTx最大(144℃)的成分为：Zr60Cu20Ni8Al7Hf3Ti2，该合金Tg＝357℃，Tx＝501℃，Trg＝0．59．     

面心立方结构高熵合金研究进展

高熵合金是一种新型的多主元合金,因其独特的微观结构而显示出高强度、高硬度、耐磨性、热稳定性和耐腐蚀等优异的性能。近年研究发现大部分性能优异的过渡族元素高熵合金为FCC结构,而且对高熵合金的原子半径差、混合焓、配置熵和价电子浓度等参数进行计算可以预测其相结构,但此类合金的相结构及其演变与性能之间的关联尚不明确。本文综述了FCC高熵合金的结构、相结构演变及其性能,并对其未来的发展进行了展望。     

Nb、Ta等元素对Zr基大块非晶非晶形成能力及耐腐蚀性影响机理研究

  用计算机编程构造了Zr基非晶合金包含二十面体原子团簇的Zr₂Ni晶体相.用Zr₂Ni晶体相中以Ni原子为中心的二十面体原子团簇模拟Zr基非晶中二十面体团簇.应用实空间的递归方法计算了合金元素取代二十面体原子团簇中心和顶角位置原子时的局域态密度、二十面体原子团簇中中心Ni原子与其近邻合金元素Nb、Ta、Ti、V的总键级积分及团簇的费米能级.结果表明,Nb、Ta、Ti和V取代Zr原子后使其与Ni的键级积分有所降低,使合金的非晶形成能力下降,但Nb、Ta对合金的非晶形成能力影响不大;Nb、V取代Zr使费米能级升高,可使Zr基非晶容易钝化,提高耐蚀性;Ta对Zr基非晶的耐蚀性影响不大.而Ti使Zr基非晶的钝化能力下降.综合合金元素对非晶形成能力和耐腐蚀性的影响,Nb是最有益的合金元素,即在Zr基非晶中,通过加入少量的Nb元素,可以制备出具有较高耐腐蚀性的大块非晶.     

Hf含量对NbMo0.5HfxTiZrCrAl难熔高熵合金组织及力学性能的影响

采用真空非自耗电弧熔炼的方法制备了5种名义成分为NbMo0.5HfxTiZrCrAl(x=0, 0.25, 0.5, 0.75, 1, at.%)的难熔高熵合金。研究了Hf对合金组织及力学性能的影响规律。结果表明：添加Hf和不添加Hf的合金的微观组织均由两种BCC相（即BCC1和BCC2）和Laves相构成。在未添加Hf的合金中,BCC1相中主要富含Zr、Cr和Al元素,BCC2相中主要富含Nb、Ti和Mo元素。而在添加Hf的合金中,BCC1相中主要富含Hf、Zr、Cr、Mo和Al元素,BCC2相中主要富含Nb和Ti元素。随着Hf含量的增加,BCC1相的含量逐渐增加,且BCC1和BCC2相的晶格常数均有所增大。此外,随着Hf含量的增加,合金的硬度和脆性均逐渐增加,而合金在1200 ℃的抗压强度逐渐降低。     

微量元素对NiAl-Cr(Mo)共晶合金组织和力学性能影响的研究进展

综述了添加微量元素(Ti、Nb、Hf、Zr、稀土元素)对Ni Al-Cr(Mo)共晶合金微观组织和力学性能的影响。在Ni Al-Cr(Mo)共晶合金中添加Ti、Hf、Zr元素会使得合金微观组织产生Heusler相(Ni2Al Ti相、Ni2Al Hf相、Ni2Al Zr相)沉淀,添加Nb元素会产生Laves相(Cr2Nb相)沉淀,添加稀土元素会产生稀土沉淀相。这些沉淀相都会在合金中产生沉淀强化来增强合金的力学性能。最后,就目前研究中的不足之处提出了改进方法。     

多组元Alx（TiVCrMnFeCoNiCu）100-x高熵合金系微观组织研究

制备了一族多组元A1x（TiVCrMnFeCoNiCu）10-x（x=0，11．1，20，40）（x为原子百分数，下同）伪二元高熵合金，研究了该新型合金系的显微组织。结果表明：Al含量为零时，合金为fcc，bcc，σ相和非晶相等多相共存；随着Al含量的增加，合金微观组织趋于简单，当x=20时，合金中只有bee简单固溶体；但当Al含量继续增加到x=40时，合金中开始出现Al，Ti等金属间化合物；多组元合金的高混合熵效应能够有效抑制金属间化合物等复杂相的析出，有助于简单固溶体的形成。使该合金系的相数低于由Gibbs相律所定的最大平衡相数。     

共晶高熵合金形成的热力学基础研究

通过收集并总结已报道的18种共晶高熵合金的整体成分和各相成分等信息分别计算了反映其性质的一些参数,包括混合焓、混合熵、吉布斯自由能、原子尺寸失配度、电负性差和价电子数,并从热力学角度分析了这些参数对合金结构的影响规律。发现共晶高熵合金整体成分计算出的混合熵等值均基本满足传统高熵合金形成单相固溶体的结构判据要求(即?Smix11 J/(mol×K)、-15 kJ/molΔH_(mix) 5 kJ/mol,δ6.6%等),但是由于其共晶相的平均自由能低于其整体形成单相时的总自由能,这使得共晶高熵合金在凝固过程中发生共晶反应,形成多相结构。     

镍基块状非晶合金的晶化动力学行为

利用铜模铸造方法制备了Ni45 Ti23Zr15Si5Pd12块状非晶合金，采用扫描差热分析(DSC)和X射线衍射(XRD)对该块状非晶合金的晶化动力学行为进行了研究．结果表明：Ni45Ti23Zr15Si5Pd12块状非晶样品的晶化过程为多阶段晶化，主要晶化过程的Avrami指数大于3．0，为三维形核长大过程；随着晶化体积分数的增加，剩余非晶的晶化激活能增大，合金热稳定性增加；原子尺寸差异以及各原子间大的负混合焓是合金具有高的热稳定性的主要原因．     

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CoCrFeNiSi0.5、CoCrFeNiSi0.5Al0.5、CoCrFeNiSi0.5Ti0.5、CoCrFeNiSi0.5Al0.5Ti0.5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CoCrFeNiSi0.5高熵合金涂层物相由单一面心立方(FCC)相构成;CoCrFeNiSi0.5Al0.5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;CoCrFeNiSi0.5Ti0.5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Cr15Co9Si6相;CoCrFeNiSi0.5Al0.5Ti0.5高熵合金涂层的主要物相为BCC相,枝晶间区域G相含量较CoCrFeNiSi0.5Ti0.5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CoCrFeNiSi0.5Ti0.5>CoCrFeNiSi0.5Al0.5Ti0.5>CoCrFeNiSi0.5>CoCrFeNiSi0.5Al0.5。浸蚀后,CoCrFeNiSi0.5高熵合金涂层以均匀腐蚀为主,CoCrFeNiSi0.5Al0.5涂层产生严重的晶间腐蚀,CoCrFeNiSi0.5Ti0.5涂层主要为枝晶间区域的点蚀,CoCrFeNiSi0.5Al0.5Ti0.5涂层枝晶间区域的点蚀程度明显高于CoCrFeNiSi0.5Ti0.5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。     

Ti-Zr-Ni-Cu非晶系的等电子浓度特征

以准晶成分Ti40Zr40Ni20为基准，在Ti—Zr-Ni-Cu系中设计出电子浓度为1.200和原子尺寸为0．1474nm的系列合金，并用铜模吸铸法制备直径为3mm的合金棒试样．结果表明，Ti12Zr55Ni13Cu20成分附近可形成块体非晶合金，而Ti3Zr60Ni12Cu25和Zr60Ni10Cu30成分点上形成了单一的四方Zr2Cu型非晶相关相．准晶、块体非晶合金和Zr2Cu相是具有相同电子浓度的电子化合物，它们在成分图上表现出鲜明的等电子浓度特征，表明块体非晶合金的等电子浓度判据适用于Ti-Zr-Ni-Cu非晶系．二十面体与截角八面体间的结构关联可作为准晶或非晶合金多型性转变成Zr2Cu相的结构模型．     

Ti20Zr20Hf20Cu20Be20高熵非晶合金应力弛豫行为研究

高熵非晶合金力学弛豫行为的研究,对于理解玻璃转变、塑性变形、弛豫机理等科学问题和拓展其工程应用极为关键。本文采用应力分析方法对Ti20Zr20Hf20Cu20Be20高熵非晶合金条带进行了研究,旨在揭示高熵非晶合金应力弛豫行为。通过分析其在恒定应变下较宽时间窗口和温度窗口内的应力衰减过程,发现在低于Tg的玻璃态下,高熵非晶合金中存在着弛豫解耦现象,分别是慢弛豫和快弛豫过程。其中慢弛豫呈现扩展指数衰减模式,弛豫时间存在对温度的Arrhenius动力学依赖关系,与长程原子重排运动有关,快弛豫过程对应于微观局部内应力的逐步消散过程。不论该高熵非晶合金变形处于弹性阶段还是发生了屈服,应力弛豫过程受应变的影响都较小。本研究揭示了高熵非晶合金中新的弛豫解耦现象和与之相关的独特动力学机制,拓宽了我们对高熵非晶合金弛豫动力学过程以及其本征特性的认知。     

AlCoCrNiSiTi_x高熵合金微观组织结构与力学性能

通过XRD、SEM、EDS分析及显微硬度测试,研究了不同Ti含量的AlCoCrNiSiTix高熵合金微观组织结构与力学性能。结果表明:AlCoCrNiSiTix高熵合金主要以bcc1+bcc2两相共存,其中bcc1为AlNi固溶体,bcc2为CrSi固溶体。随着Ti元素的添加,合金中出现了少量Ni3Ti金属间化合物;合金铸态组织形态呈树枝晶状,微观组织中Al、Ni、Ti主要存在于枝晶内,Cr、Si主要偏析于枝晶间;同时合金硬度显著提高。     

氮对非晶合金影响的可行性分析及其研究现状

微合金化是改善非晶合金的玻璃形成能力及性能的一个重要手段。氮作为一种特殊的非金属元素,具有原子尺寸小,电负性强,且与非晶合金中的许多元素具有负混合焓的特点。如果将氮作为微合金元素,氮的添加可能会影响非晶合金的形成及性能。本文简略讨论了氮作为非晶合金的微合金元素的可行性,介绍了目前氮对非晶合金的制备和性能方面影响的研究现状,并对氮在非晶合金中的应用前景进行了展望。     

Zr41Ti14Cu12.5Ni10Be22.5块体非晶合金结构自由体积周围化学环境的研究

采用X射线衍射(XRD)、正电子湮没技术(PAT)-多普勒展宽谱,研究Zr41Ti14Cu12.5Ni10Be22.5块体非晶合金及其过冷液相区结构自由体积周围的元素分布.结果表明:原始制备的Zr41Ti14Cu12.5Ni10Be22.5块体非晶合金其结构自由体积周围主要富集Zr原子,在过冷液相区(T＝400 ℃)等温退火后,在该合金结构自由体积周围探测到Zr、Ti和Be原子.     

Cu-Zr-Al-Ti块体非晶合金的成分设计与晶化研究

在三元Cu-Zr-Al非晶合金的基础上,通过运用等电子浓度和等原子尺寸成分设计规则来引入第四组元Ti,将合金系拓展到Cu-Zr-Al-Ti四元合金体系,并在该四元系的等电子浓度面和等原子尺寸面的交线上进行成分设计。对设计的合金成分采用铜模吸铸法得到直径为3 mm的棒状样品。对铸态样品微观组织的分析表明:在设计的六个合金成分中有两个成分(即:Cu58Zr33Al6 Ti3和Cu56.9 Zr31.5 Al5.6 Ti6)可以形成块体非晶合金。示差扫描量热(DSC)分析的结果表明:Cu58 Zr33 Al6 Ti3的非晶形成能力(GFA)大于Cu56.9Zr31.5Al5.6Ti6和基础成分Cu58.1Zr35.9Al6的GFA。采用X射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)对块体非晶合金Cu58Zr33Al6Ti3的晶化过程进行了研究。结果表明,Cu58Zr33Al6Ti3块体非晶合金的晶化分两个阶段进行:合金的初始晶化主要是对应着Cu10Zr7相的析出;而晶化的第二阶段是Cu10Zr7、Cu8Zr3和AlCu2Zr(Ti)三个相同时析出。对非晶合金在等温退火过程中组织结构转变进行了分析和讨论。