密排六方结构高熵合金研究进展

高熵合金自问世以来,因其性能独特很快就引起了广大学者的兴趣。对高熵合金的定义,现在大家普遍认为的是由5种及5种以上的主要元素以等摩尔比或近似等摩尔比构成,且每种元素占总成分的5%~35%。对配置熵、混合焓、原子半径差、价电子浓度等物相参数进行计算,并结合CALPHAD相图模拟和第一性原理密度泛函理论(DFT)以及AIMD模拟,可用来初步预测高熵合金的相结构。目前,主要有面心立方(FCC)、体心立方(BCC)和密排六方结构(HCP)3大类固溶体高熵合金,其中HCP高熵合金鲜见,主要为稀土元素类和贵金属元素类HCP高熵合金。近几年研究发现FCC高熵合金通过特殊的处理方式(如高压)也可转变成HCP高熵合金。对HCP高熵合金的结构、相形成规律以及性能进行了综述,并讨论了其未来发展趋势。     

添加Be对CoCrFeNi高熵合金组织和性能影响的研究

目的 研究CoCrFeNi高熵合金组织和性能在添加Be后的变化,通过高熵合金固溶体相形成规律,设计从面心立方固溶体转变至含体心立方及金属间化合物的(CoCrFeNi)1-xBex系列高熵合金。方法 通过计算验证(Co Cr FeNi)1-xBex系列高熵合金的成分是否落入固溶体区域,并对上述成分高熵合金组织和力学性能进行研究。结果 Be元素的原子数分数为4%时,高熵合金仍为单一的FCC相结构,随着Be元素含量的进一步增加,基体中出现BCC相和金属间化合物。Be的添加使得(Co Cr Fe Ni)1-xBex高熵合金的屈服强度及显微硬度均大大提高,同时密度降低。结论 根据相形成规律设计的(Co Cr Fe Ni)1-xBex系列高熵合金表明,适量添加Be元素可以改善CoCrFeNi高熵合金的综合物理力学性能。     

合金元素对CoCrFeNi基高熵合金相组成和力学性能影响的研究现状

基于多主元设计理念的高熵合金(又称多主元合金)虽然组成元素复杂,但能形成简单结构的固溶体,并具有优异的性能,已成为当前高性能金属材料的研究热点之一。目前的研究主要集中在固溶体形成条件、成分种类、含量、组织结构及不同退火温度对合金的组织和力学性能的影响等方面。学者们还界定了形成固溶体时合金混合焓、原子半径及价电子浓度(VEC)的范围。当前的研究以CoCrFeNi基合金最为广泛,主要研究目标包括提高BCC型合金的塑性或FCC型合金的强度,以及开发具有良好的可铸性、易适应大规模生产的共晶高熵合金。通过降低晶粒尺寸、热处理和引入新元素等方法,使高熵合金产生晶界强化以及析出细小、弥散的第二相,从而有效地强化FCC基体。通过一系列的合金设计,研究出一些低成本、高性能的合金,进而也可用于一些高性能要求的零件或制备成高性能涂层。本文综述了合金元素Al、Cu、Ti、Mn、Mo、Pd、Nb及两种元素协同作用对铸态CoCrFeNi基高熵合金的相组成和力学性能的影响。通过对比发现,不同元素由于其原子半径、电负性以及与其他元素的结合力不同对高熵合金的相形成产生不同的影响,从而影响其力学性能。Al、Ti和Mo等原子半径较大元素的添加会产生固溶强化,使得合金的硬度增大。同时,Al元素的添加会因形成有序的B2相而产生第二相强化;部分合金还能形成共晶高熵合金。Ti和Mo元素由于与其他元素的混合焓较小容易形成复杂的化合物使得合金变脆。而Cu与其他元素混合焓较大,易优先在枝晶间析出。铸态下Mn含量的变化不影响合金的晶体结构,合金为FCC相。经过时效处理后,Mn含量高的合金有少量σ相析出。添加Nb元素后,合金由于Laves相的出现强度增加且变脆。此外,还对添加Pb元素后合金的饱和磁化性能以及部分合金的耐腐蚀性等进行了综述。本文可为高熵合金的成分设计及研究提供参考。     

CuAgAlFeNi高熵合金的微观组织和性能

利用真空电弧炉熔炼CuAgAlFeNi高熵合金。分析表明:合金由FCC+BCC相组成。合金中存在的严重的密度偏析,导致合金的铸态组织分为亚共晶层和固溶体层。亚共晶层由固溶少量Al的初晶Ag和(Cu-Ag)共晶组成。固溶体层则由Al、Fe、Ni和少量Cu形成的固溶体胞晶组成,在胞晶中还存在着与亚共晶层组织相同、成分相近的"共晶球"。固溶体的硬度为HK452.2,共晶层的熔点为805℃,硬度为HK160.4。     

具有BCC或FCC晶体结构的固溶体高熵合金设计

高熵合金最初报道于21世纪初期,该类合金具有较高的混合熵值,使其具有优异的热稳定性;较大的晶格畸变,产生了强烈固溶强化效果;较大的负焓值导致在晶粒内部形成团簇结构,有效阻碍了位错运动,进一步提高了合金强度。高熵合金独有的这些特性,使其在低温和高温条件下均有望表现出优异的物理性能和力学性能,引起了广泛的关注,研究报道呈爆发性增长。本文根据已有的BCC和FCC结构高熵合金物理-力学性能数据,分析了电子浓度、晶格常数、原子错配度、混合焓、硬度、弹性模量和归一化硬度等参数之间的关系,提出了BCC和FCC晶体结构的高熵合金弹性模量和硬度的经验计算公式,在此基础之上,综合考虑合金密度、塑性和服役工况等条件,提出了BCC和FCC结构的高熵合金成分设计方法。最后指出高熵合金的持久性能、大尺寸铸锭的成分和性能均匀性以及大尺寸合金锭的制备是高熵合金工程应用需解决的关键问题。     

多主元高熵合金AlFeCuCoNiCr的微观结构

依据多主元高熵合金的设计理念,采用真空电弧炉熔炼等摩尔比多主元高熵合金AlFeCuCoNiCr,研究合金的组织结构。研究发现:AlFeCuCoNiCr合金的铸态组织是典型的树枝晶,并有纳米析出相和非晶相形成;合金存在严重的成分偏析现象,铜偏聚于枝晶间;合金形成了简单的面心立方+体心立方(FCC+BCC)结构和少量金属间化合物。     

高熵合金中典型金属间化合物

高熵合金作为一种新型金属材料,因其具有优异的力学性能而受到越来越多研究者的广泛关注。在高熵合金中,金属间化合物从最初追求单相固溶体以避免形成有害相,发展到可作为有益的析出强化相或合金基体相(有序固溶体),丰富了高熵合金的组织调控策略,提升了高熵合金的力学性能。同时,也为高熵合金的发展起到了重要的推动作用。从高熵合金中相的形成规律出发,综述了高熵合金中典型金属间化合物及有序固溶体的研究现状,主要包括合金元素和热处理工艺等对典型金属间化合物形成规律和高熵合金力学性能的影响,并对高熵合金中金属间化合物的未来发展进行了展望。     

碳对无Co高熵合金Fe_(40)Mn_(30)Ni_(10)Cr_(10)Al_(10)组织以及力学性能的影响

通过真空电弧熔炼成功制备了Fe_(40)Mn_(30)Ni_(10)Cr_(10)Al_(10)高熵合金,并添加5%(原子分数)的碳元素,研究了碳元素对该高熵合金的相结构、微观组织以及力学性能的影响。研究发现,Fe_(40)Mn_(30)Ni_(10)Cr_(10)Al_(10)高熵合金由FCC相和BCC相条状交错组成,并且BCC相区存在大量的纳米B2相。加入5%(原子分数)的碳元素后,合金中的BCC相和纳米B2相转变为FCC相,同时在晶界处产生大量的碳化物M_7C_3。由于碳原子的加入,合金的平均延伸率由18%提高到26%,而合金的抗拉强度变化不大,保持在730 MPa左右。     

球磨时间对MA-SPS法制备FeCoCrAlNiB高熵合金微观结构、硬度和断裂韧性的影响

采用机械合金化(MA)和放电等离子烧结(SPS)相结合的方法制备FeCoCrAlNiB高熵合金。研究球磨时间(1、5、10、20、30和40 h)对合金相成分、微观结构、硬度和断裂韧性的影响。结果表明：高能球磨过程中各金属元素的合金化顺序为Al→Co→Ni→Fe→Cr;混合粉末球磨20 h后基本形成了单一的BCC固溶体相,其颗粒尺寸约为20μm。对不同球磨时间的混合粉末进行SPS烧结,获得的FeCoCrAlNiB高熵合金主要由无序BCC+B2(Al-Ni)固溶体相和硼化物相(Fe₂B等)组成。随着球磨时间的延长,合金中硼化物相含量先减少后增加并主要以网状形式分布,BCC相含量则与之相反;合金硬度随球磨时间的延长逐渐提高,主要是因为合金元素间固溶程度越来越高,硼化物相逐渐增多;但硼化物形成的网状结构会破坏基体的连续性,导致合金断裂韧性逐渐降低。当球磨时间为20 h时,获得的FeCoCrAlNiB高熵合金的维氏硬度(HV)为(10.9±0.2) GPa,断裂韧性(K_IC)为(4.4±0.2) MPa·m^1/2,表现出最优的综...     

Co_xMn_(2-x)CrFeNi高熵合金的相稳定性

本工作通过磁控电弧炉制备了一系列Co_xMn_(2-x)CrFeNi(x=0.25—1.75)高熵合金,并利用XRD、SEM、EDS、DSC等手段研究了这些合金在铸态、800℃和1 000℃退火720 h后的相稳定性。研究发现,Co含量不低于15%(原子分数)的Co_xMn_(2-x)CrFeNi合金在铸态及800℃和1 000℃退火720 h后均为FCC单相。铸态Co_(0.25)Mn_(1.75)CrFeNi为FCC+BCC两相,但经800℃或1 000℃退火720 h后,该合金中的BCC相消失,Cr元素富集,转变为FCC+σ相。在800℃退火720 h后的Co_(0.5)Mn_(1.5)CrFeNi不仅从FCC基体中析出了σ相,还析出了富Cr的BCC相。DSC测试表明,FCC相的开始熔化温度随Co含量的增加而升高;σ相将在1 097～1 120℃分解。此外,基于TCFE数据库的热力学计算结果表明,虽然通过计算可以较准确地预测FCC相的稳定性,但是不能准确地预测BCC相和σ相的稳定性。也就是说,Co-Cr-Fe-Mn-Ni体系中σ相和BCC相的热力学模型参数还需要进一步优化。     

Cr含量对CrMnFeNi系高熵合金腐蚀行为的影响EI北大核心CSCD

利用XRD,SEM/EDS,EBSD,电化学测试等表征手段研究Cr含量对Cr_(x)MnFeNi(x=0.8,1.0,1.2,1.5)高熵合金微观组织与耐蚀性能的影响。结果表明:Cr_(0.8)MnFeNi高熵合金为单相FCC结构,Cr_(x)MnFeNi(x=1.0,1.2,1.5)高熵合金为FCC+BCC双相结构,且BCC相比例随着Cr含量升高而增加。在0.5 mol/L H_(2)SO_(4)溶液中,高熵合金的耐蚀性能随着Cr含量降低而增强,其中,Cr_(0.8)MnFeNi单相高熵合金的耐蚀性能最好,这是因为Cr_(0.8)MnFeNi高熵合金的成分更为均匀。此外,Cr_(x)MnFeNi高熵合金在0.5 mol/L H_(2)SO_(4)溶液中均具有宽泛的钝化区域以及明显的伪钝化区域,表明合金在耐蚀性能上具有较大的研究价值和开发潜力。     

粉末冶金TiVNbTa难熔高熵合金的组织和力学性能

将机械合金化(MA)与放电等离子烧结(SPS)相结合制备了难熔TiVNbTa高熵合金,研究了这种合金的机械合金化过程、相组成和显微组织,以及烧结温度和O、N含量对其力学性能的影响。结果表明:机械合金化后高熵合金粉末为BCC结构,放电等离子烧结成的块体高熵合金由BCC基体和FCC析出相组成,其析出相为TiN+TiC+TiO的复合物。烧结温度为1100℃的高熵合金具有良好的综合力学性能,压缩屈服强度达到1506.3 MPa,塑性应变为33.2%。随着烧结温度的提高,合金发生了从准脆性到塑性再到脆性断裂的转变。O和N含量的提高对高熵合金强度的影响较小,但是使其塑性显著降低。     

CrFeCoNiCu多主元高熵合金的相分析

利用高分辨SEM与TEM观察显微组织,同时结合相图分析,提出了CrFeCoNiCu多主元高熵合金相的鉴定方法,结果表明:微观组织为枝晶和枝晶间组织,枝晶间存在大量纳米析出相。主要组成相包括枝晶内的Fe,Cr,Ni,Co的FCC固溶体相,枝晶间非晶相和Cu,Ni的FCC固溶体相。相图分析表明,合金材料在1400℃和1100℃左右发生的两次相变,形成了CrFeCoNiCu高熵合金的组织结构。     

等离子熔覆法制备AlxCoCrFeNi高熵合金微观组织与性能研究

利用等离子熔覆法在Q235基体上制备了Al_xCoCrFeNi(x=1、1.5,x为摩尔分数)高熵合金,对熔覆层的化学成分、相结构、微观组织和显微硬度进行了研究。结果表明:熔覆态高熵合金具有简单的固溶体结构,微观组织为树枝晶,Al含量从x=1增加到x=1.5时,物相组成由FCC+BCC两相转变为单一的BCC相;当x=1.5时,枝晶间有纳米级颗粒析出;Al_(1.5)CoCrFeNi熔覆层与基体呈现良好的冶金结合,界面附近的热影响区由于珠光体脱碳分解而形成了约为80μm宽的铁素体带;随着Al含量的增加,熔覆层的显微硬度从x=1时的478HV增加到x=1.5时的530HV。     

元素Cu对Cu_xAlFeNiCrTi(x=0,0.5,1.0)高熵合金组织性能的影响

高熵合金具有许多优异性能,目前对其研究还不够深入。利用真空电弧熔炼炉制备了Cu_xAlFeNiCrTi(x=0,0.5,1.0)高熵合金,并通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、显微硬度计和磨损试验对该高熵合金的微观组织及其性能进行了一系列测试,探究不同含量的Cu元素对合金性能的影响。结果表明:合金组织为树枝晶,主要是由体心立方(BCC)相和面心立方(FCC)相组成;随着Cu元素含量的增加,FCC相含量也在增加,合金的硬度降低;随Cu元素含量的增加,合金的摩擦系数减小,磨损失重和磨损体积增大,即合金耐磨性降低。     

轧制处理对AlCrFe2Ni2高熵合金组织与力学性能的影响

目的 为了设计出成本低、性能优异的AlCrFe2Ni2高熵合金,并探究轧制处理对该合金微观组织与力学性能的影响。方法 使用真空电弧熔炼炉熔炼AlCrFe2Ni2合金样品,采用冷轧的方式进行塑性加工,轧制总下压量为60%,结合相图计算、X射线衍射、扫描电子显微镜等分析测试方法研究AlCrFeNi合金体系的相形成规律,以及合金变形前后微观组织、力学性能的变化情况。结果 铸态和冷轧态的AlCrFe2Ni2高熵合金由FCC_A1主相和BCC相构成,BCC区域由编织状的BCC_A2相和BCC_B2相构成。铸态下的屈服强度和抗拉强度分别为681 MPa和1 208 MPa。冷轧后的合金样品硬度和拉伸强度明显提高,经60%下压量的冷轧变形后,合金的屈服强度和抗拉强度分别提升到1 433 MPa和1 620 MPa,但伸长率由铸态的9.5%下降到轧态的2.0%。结论 相组成参数计算结合相图计算(CALPHAD)能够有效预测合金的相组成,轧制处理能够有效改善合金的力学性能。     

CrFeCoNiMo高熵合金与304SS的耐蚀性对比研究

为了研究CrFeCoNiMo高熵合金的耐蚀性,采用熔铸法制备了Cr19Fe22Co21Ni25Mo13高熵合金,测试了该合金的铸态显微组织、物相组成并将该合金与304SS在耐蚀性方面进行了对比.结果 表明:CrFeCoNiMo高熵合金显微组织呈典型的树枝晶形态,其中树枝晶为典型的单相FCC结构固溶体,而枝晶间为包含有1个FCC相和1个FCC1相的混合结构固溶体;与相同腐蚀条件下的304SS相比,CrFeCoNiMo高熵合金在硫酸、盐酸、硝酸和氯化钠溶液中的耐蚀性均表现较好,腐蚀速率均较低.高熵合金内树枝晶区域无明显腐蚀,而枝晶间区域腐蚀严重,这主要是由于二者间的晶体结构存在差异.     

高熵合金FeCoNiTi的微观组织演变和强韧化行为

使用热力学软件设计了一种新型双相高熵合金(FeCoNiTi),利用真空电弧熔炼和热处理制备出FeCoNiTi高熵合金块体材料。表征结果表明,FeCoNiTi高熵合金由层状结构的Laves相和魏氏体板条FCC相组成。在室温下FeCoNiTi高熵合金具有良好的综合力学性能(抗压强度σ_b=2.08 GPa,压缩应变ε=20.3%)。高强度来自“硬”Laves相(层状结构)的强化,而“软”FCC相(魏氏体板条)中的位错滑移和变形孪晶提供塑性。     

热压烧结(FeNiCoCr)100-x Al x (x=0、5)高熵合金的微观组织及力学性能

采用低能球磨-热压烧结制备了(FeNiCoCr)_100-x Al _x (x=0、5)高熵合金,并对其进行时效处理,研究了合金的组织结构与力学性能。结果表明：烧结态及时效态合金的微观组织均由FCC相和少量BCC相构成,其中FCC相中均存在孪晶,且未添加Al的合金中孪晶比例相对较高;添加Al的合金中BCC相较高,且时效处理后出现了大量小角度晶界。时效态FeNiCoCr合金具有最佳的综合性能,其压缩真屈服强度达545 MPa,弯曲强度和断裂韧性分别为1342±20 MPa和32.5±2.0 MPa·m^1/2,优异的力学性能归因于FCC相中退火孪晶的形成以及BCC相的析出。     

Ti0.096V0.864Fe0.04合金的储氢性能研究与物相分析

研究了Ti0.096V0.864Fe0.04合金的储氢性能、热力学特性及吸放氢物相变化.研究结果表明,该合金具有较好的吸放氢压力平台特性,合金的20℃最大吸氢量达到3.75%(质量分数),氢化物生成焓变△H°为-26.6kJ·(mol H2)-1,熵变△S°为-102.5J·(K·mol H2)-1.合金颗粒度、吸放氢循环次数对合金的吸氢速度都有较大影响.该合金具有较好的抗粉化能力,经过10次吸放氢循环后合金粉的平均粒径比吸氢前仅减小约1/5.XRD及SEM分析表明,合金未吸氢前是由单一的体心立方(BCC)结构的钒基固溶体相组成;4MPa下吸氢后生成大量面心立方(FCC)结构的Ti0.096V0.864Fe0.04H2.01和少量体心四方(BCT)结构的Ti0.096 V0.864 Fe0.04H0.81两种氢化物相;50℃下对0.001MPa放氢后,合金中除Ti0.096V00864Fe0.04基BCC固溶体相外,还存在Ti0.096V0.864Fe0.04H0.81氢化物相.