增材制造AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金研究进展

AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金具备细小、均匀、规则的片层结构,在较宽的温度(70～1000 K)和成分偏差范围内均具备良好的组织结构和强塑性兼备的力学性能,因而成为目前研究最为广泛的共晶高熵合金。本文针对增材制造AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金,综述了不同工艺和工艺参数对该合金的微观组织和力学性能的影响,重点阐述了选区激光熔化技术制备AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金的相分布、微观组织和强化机制。最后,指出当前增材制造AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金相形成机理及组织演化过程中存在的分歧和不足,并提出以AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金为基体的材料改性、增材制造高熵合金新工艺研究开发等发展方向,为推动该合金的工业化应用提供思路。     

快速凝固AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金的微观组织演变和力学性能

使用真空快速凝固设备制备不同直径的AlCoCrFeNi_2.1合金铸棒和薄带,研究了冷却速率对多主元共晶高熵合金的微观组织和力学性能的影响。结果表明,全部试样均由FCC和B2两相组成。不同直径的合金铸棒均为常规共晶组织,只在表层某些位置观察到胞状共晶组织。铸棒的直径越小,冷却速率越大,规则共晶组织的片间距(λ)越小,其屈服强度越高。当铸棒直径由8 mm减小至2 mm时表层区域的λ值由530.4 μm减小至357.0 μm,轴心区域的片间距由712 μm减小至474 μm,合金的屈服强度由690 MPa提高到877 MPa。结合合金薄带的微观组织分析结果表明,随着冷却速率的提高AlCoCrFeNi_2.1合金依次形成规则和非规则混合共晶组织、胞状共晶组织和树枝状组织。     

TiB2/Al-Cu-Li复合材料时效析出及组织演变对力学性能的影响

研究了TiB₂/Al-Cu-Li复合材料T6工艺的微观组织演变和时效析出对力学性能的影响。通过气氛保护熔炼法制备了TiB₂/Al-Cu-Li复合材料。结果表明：在铸态合金的微观组织中,TiB₂颗粒和共晶相主要分布在晶界周围。均匀化处理后,大部分共晶相回溶。轧制变形后,TiB₂颗粒沿着轧制方向被拉长,产生了大量位错。固溶处理削弱了轧制产生的Brass织构和S织构,回溶了轧制产生的析出相。在175℃温度下进行时效,欠时效过程中,δ’(Al₃Li)/β’(Al₃Zr)为主要析出相。随着时效时间的增加,到22 h峰时效时,T1相为主要析出强化相。通过位错强化和析出强化的共同作用,随时效时间增加,屈服强度和抗拉强度先上升后下降,延伸率持续下降。复合材料峰时效的极限抗拉强度为562.7 MPa,屈服强度为475.9 MPa,延伸率为4.5%。     

烧结温度对TC4合金的微观结构和力学性能的影响

将TiH₂、Al-V粉末压制成型后进行真空烧结,制备出Ti6Al4V(TC4)合金,使用XRD、金相和SEM断口形貌观测以及力学性能测试等手段对其表征,研究了烧结温度对合金力学性能的影响。结果表明：烧结样品由密排六方α-Ti和体心立方β-Ti双相组成,其形貌呈等轴、网篮或板条(片状、针状)状,随着烧结温度的提高和保温时间的延长等轴组织减少,片状组织和针状组织增加且其组织粗化,在1150℃烧结的样品具有较好网篮结构组织;用该方法可制备相对密度为96.9%~99.6%、抗拉强度为719.3~914.1 MPa、延伸率为6.2%~9.4%、硬度为313.2~364.8HV的TC4合金试样;在1150℃保温1.5 h的样品性能较好,其抗拉强度最高(914.1 MPa),对应的延伸率和硬度分别为7.6%和355.5HV;用纯TiH₂粉末烧结样品的断口呈韧性断裂;加入合金元素的样品其断口逐渐由韧性断口变为韧性和脆性混合的断口,其强度提高、延伸率下降。     

退火态CoFeNiCrMnBx高熵合金微观组织和力学性能

采用真空电弧熔炼炉制备了CoFeNiCrMnB_x高熵合金，并对其退火处理。结果表明：CoFeNiCrMnB_0.15和CoFeNiCrMnB_0.20合金经1 100℃×20 h退火后，枝晶间组织均为颗粒状Cr₂B相，且随着B含量的增加，颗粒状Cr₂B相也增多。CoFeNiCrMnB_0.20合金的屈服强度和抗拉强度分别为496 MPa和890 MPa,较铸态CoFeNiCrMn合金的分别提高了104.0%和79.4%。     

电流辅助下CoFeCrNiCuTi2高熵合金钎焊SiC陶瓷接头组织与性能

采用电流辅助连接技术，以CoFeCrNiCuTi₂高熵合金为连接层材料，在1125℃的温度下，实现了SiC陶瓷的快速钎焊，提高了连接效率的同时保证了元素的充分扩散，系统研究了钎焊温度对连接接头界面微观结构和力学性能的影响。结果表明：所获得的钎焊接头无明显缺陷，焊缝组织主要由高熵FCC相、TiC相、Cr₂₃C₆相组成。界面致密的TiC反应层的形成在一定程度上抑制了高熵合金的分解和金属间化合物的生成，并缓解了SiC基体界面与高熵合金钎料之间的热应力。同时，由于高熵合金钎料的迟滞扩散效应，焊缝中心主体钎料仍保持高熵合金的FCC结构。力学性能测试表明：钎焊接头强度随钎焊温度升高呈先降低后增大的变化趋势。当连接温度为1125℃时，碳化硅接头获得最大弯曲强度，达到37 MPa,高于普通镍基钎料约21.3 MPa。     

C合金化对AlCrFeCoNi2.1共晶高熵合金微观组织和拉伸性能的影响

目的 为了显著提高AlCrFeCoNi2.1共晶高熵合金的室温力学性能,利用C合金化的方法研究不同碳含量对微观组织和室温拉伸性能的作用规律。方法 采用电弧熔炼–滴铸方法制备了不同C含量的(AlCrFeCoNi2.1)–x%C(x=0、1、2、3,原子数分数)共晶高熵合金,利用XRD、SEM和EDS等手段研究了不同C含量下微观组织、相结构和拉伸性能的变化规律。结果 添加C元素后,合金未形成新相,仍然由FCC相和B2相组成,但其微观组织呈现出由层片状向树枝晶转变的特征。随着C含量的增加,屈服强度和抗拉强度增大,但伸长率有一定的降低,其中(AlCrFeCoNi2.1)–3%C(原子数分数)合金的屈服强度可达到791 MPa,抗拉强度可达到1 332 MPa,同时伸长率仍有6.1%,与AlCrFeCoNi2.1合金相比,屈服强度和抗拉强度分别提高了99 MPa和296 MPa。结论 该强化效果主要来源于C原子的固溶强化作用和微观结构的改变。     

激光熔覆NbMoTaWV难熔高熵合金涂层的高温氧化行为

难熔高熵合金涂层是近年来高熵合金领域的研究热点,有望成为未来重要的高温结构和功能材料。本工作采用激光熔覆技术制备了NbMoTaWV难熔高熵合金涂层,研究了其在800℃下的高温氧化行为,重点分析了不同氧化时间(10、20、30、50、100 h)的NbMoTaWV难熔高熵合金涂层组织结构演变、显微硬度变化及界面元素扩散行为。实验结果表明：NbMoTaWV难熔高熵合金涂层主要由Fe₇Ta₃型HCP固溶体相、(Fe, Ni)基体相及未熔高熵合金粉末相组成,而经不同时间氧化处理后,涂层表面生成了以Fe₂O₃和Fe₃O₄为主的氧化物相。800℃高温氧化处理后,NbMoTaWV高熵合金涂层内部组织结构变化不大,仅部分氧元素扩散进入到涂层内部。高温氧化导致NbMoTaWV难熔高熵合金涂层的显微硬度有所提升,但随着氧化时间的延长,NbMoTaWV难熔高熵合金涂层的显微硬度呈现出先增加后降低的趋势,且当氧化时间为20 h时,其显微硬度达到最大,这与高温扩散所导致的固溶强化有...     

FeCoNiCrCu高熵合金涂层对复合铸造Al/Mg双金属组织和性能的影响

目的 研究不同厚度的Fe Co Ni Cr Cu高熵合金涂层对Al/Mg双金属组织和力学性能的影响。方法 通过超音速火焰喷涂工艺在A356嵌体表面喷涂不同厚度的FeCoNiCrCu高熵合金涂层,采用消失模复合铸造工艺制备Al/Mg双金属,利用扫描电镜、EDS能谱及XRD衍射仪、维氏硬度测试仪和万能试验机对Al/Mg双金属界面微观组织和力学性能进行测试和分析。结果 未喷涂高熵合金涂层的Al/Mg双金属界面由共晶层和金属间化合物层组成,断裂位置主要位于金属间化合物层,裂纹从Al₃Mg₂扩展至共晶层结束,具有典型的脆性断裂特征,剪切强度仅为30.37 MPa。当高熵合金涂层厚度为5μm时,Al/Mg双金属形成了Al₃Mg₂+Mg₂Si/AlxFeCoNiCrCu+FeCoNiCrCu+Al-Mg-Co-Ni混合相/δ-Mg+Al₁₂Mg₁₇共晶组织的复杂界面,断裂发生在高熵合金层与δ-Mg+Al₁₂Mg_17<...     

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。     

大尺寸Al-Cu-Mg-Mn合金铸锭均匀化工艺研究

本工作通过金相、DSC、SEM等手段研究了均匀化工艺对大尺寸Al-Cu-Mg合金扁锭的组织演变和力学性能的影响。研究结果表明,铸态合金中枝晶偏析从芯部区域到边部区域越来越严重,晶界分布大量的块状A_2Cu相和Al_2CuMg相。采用接近低熔点共晶融化温度进行均匀化退火后,选择合适的均匀化时间使得合金中的枝晶偏析基本消除,晶内成分分布较为均匀。经500℃/36 h均匀化后,残留第二相含量为0.88%,经过轧制变形后的薄板T42态的抗拉强度达到480 MPa,屈服强度达到327 MPa,延伸率为19%.     

热变形Ti-45Al-7Nb-0.3W合金的显微组织与力学性能

采用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和拉伸试验研究热变形(锻造、轧制)Ti-45Al-7Nb-0.3W(原子分数/%,下同)合金的显微组织与力学性能。结果表明:铸态Ti-45Al-7Nb-0.3W合金为近层片组织,主要由α2/γ层片晶团及分布在层片晶团周围的少量γ相和β相组成,层片晶团平均尺寸为100μm;经热包套锻造后,层片晶团发生破碎、扭折,并且室温抗拉强度较铸态提高了77MPa,800℃抗拉强度提高了36MPa;该锻态合金经热包套轧制后,合金组织转变为细小的双态组织,平均晶粒尺寸为25μm,合金力学性能进一步提高,其中室温抗拉强度提高到603MPa,伸长率为1.0%,800℃抗拉强度提高到716MPa,伸长率为3.6%。     

冷轧变形对Al-Cu-Mg合金的显微组织与力学性能的影响

采用光学显微镜、扫描电子显微镜、EBSD技术、透射电子显微镜和万能拉伸试验机等研究了冷轧变形对热轧态Al-Cu-Mg合金显微组织和性能的影响。显微组织观察结果表明，随着冷轧变形量的增加，合金中未溶的Al₂CuMg[Fe, Mn]相和Al₂Cu[Fe, Mn]相发生了破碎。基体中存在较多的棒状Al₂₀Cu₂Mn₃相，该相附近存在大量缠结位错，对合金产生显著强化效果。在冷轧变形量为19%时，位错密度达到最大值。同时，随着冷轧变形量的增加，S、R、Cube、Goss、Brass织构的含量也增加，〈111〉、〈110〉织构的含量降低。力学性能测试结果表明，随着冷轧变形量的增加，合金强度提高，延伸率仍保持较高水平。当冷轧变形量为11%时，合金轧向综合力学性能最佳，抗拉强度为465.0 MPa,屈服强度为291.6 MPa,延伸率为19.0%。此时，合金横向抗拉强度为469.9 MPa,屈服强度为318.0 MPa,延伸率为16.9%。     

TiVTa系低活化多主元合金的微观结构及相稳定性

制约可控核聚变堆商业化运用的关键问题之一是面向等离子体材料(plasma facing materials, PFMs),难熔多主元合金因其高温高强度、高熔点及良好的耐辐照性有望满足PFMs的需求。本工作设计并采用电弧熔炼制备了(TiVTa)₉₅X₅(X=Cr, Zr, W)低活化多主元合金，采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)及能量色散X射线谱仪(EDS)研究了Cr, Zr和W的添加对铸态、匀质TiVTa系合金的微观结构及900℃下相稳定性的影响。结果表明，铸态合金均为具有体心立方(BCC)结构的简单固溶体，经1200℃匀质化处理后(TiVTa)₉₅Cr₅合金发生相分解，基体内出现少量C15＿Laves第二相。900℃下TiVTa系合金相稳定性不佳，均分解为一个BCC主相和沿晶界分布的C15＿Laves第二相，TiVTa和(TiVTa)₉₅W₅合金中第二相体积分数较小，Cr, Zr的添加加剧相分解。经相结构及元素分析发现，(TiVTa)<...     

ME10挤压轧制镁合金热处理后的组织与性能

研究了ME10变形镁合金热挤压板料经过轧制、不同温度退火后的组织和室温力学性能.测量了热轧态和退火态的拉伸力学性能,并观察了相应合金的拉伸断口形貌.试验结果表明,合金垂直于轧制方向的性能优于轧制方向的性能.最优的轧后退火工艺为603K下保温1h,垂直于轧制方向和轧制方向延伸率可达14.2%和10.2%,抗拉强度分别为239 MPa和234 MPa,综合力学性能最优.合金热轧态下为准解理断裂,退火后为韧性断裂.     

添加Sc、Zr和退火对Al-Si合金铸态力学性能的影响

使用OM、TEM、SEM、显微硬度和室温拉伸等手段研究了Sc和Zr的复合添加对Al-5.5Si合金铸态的组织和性能的影响,以及在不同温度退火后其性能的变化规律。结果表明,Sc、Zr的添加使Al-5.5Si合金的硬度提高了33%、抗拉强度提高了38%、屈服强度提高了52%、延伸率基本上不变。在Al-5.5Si合金中复合添加Sc、Zr使α-Al的平均晶粒尺寸从203 μm减小到130 μm,在α-Al基体中析出大量的Al₃(Sc_1-xZr_x)纳米粒子(10~15 nm),并使共晶Si内的层错或微孪晶的密度显著提高。退火温度对铸态合金的性能有较大的影响：在较低温度(低于160℃)退火时合金的硬度呈上升趋势,而在较高温度(高于280℃)退火时合金的硬度呈显著下降趋势。这些结果与二次析出的纳米Si相密切相关。     

Ti0.5AlCoFeNiCrx高熵合金的微观组织结构与力学性能

通过XRD分析、SEM观察和压缩实验研究了不同Cr含量对Ti0.5AlCoFeNiCrx(x为摩尔比,x=0,0.5,1,1.5,2,3)高熵合金微观组织结构与力学性能的影响。结果表明:当合金不含Cr时,呈现单一的体心立方结构;当加入Cr元素后,出现了另一种富Cr的体心立方相。随着Cr含量的增加,组织从树枝晶逐渐转变到亚共晶、共晶和过共晶组织,表明Cr能促使合金发生共晶反应。适量的Cr元素能显著提高合金的压缩力学性能,其中Ti0.5AlCoFeNiCr0.5合金具有最好的压缩强度和塑性。     

退火温度对Fe35Ni30Cr20Al10Nb5高熵合金的组织结构和性能的影响

系统地研究了退火处理温度对低熔点高熵合金Fe₃₅Ni₃₀Cr₂₀Al₁₀Nb₅(摩尔比)的组织结构和性能的影响。结果表明：随着退火温度的提高,铸态Fe₃₅Ni₃₀Cr₂₀Al₁₀Nb₅合金中富Fe-Cr元素的fcc相的体积分数逐渐减少,Laves相和B2-NiAl相的体积分数逐渐增大。准静态压缩实验结果表明,铸态样品的压缩塑性变形能力良好。随着退火处理温度的提高合金的屈服强度先提高后降低,在700℃退火的样品其屈服强度最高(为1247.7 MPa),但是塑性变形量比铸态有所降低。压缩屈服强度随退火处理温度降低,可归因于基体fcc相在高温下的分解。电化学测试结果表明,这种合金的耐腐蚀能力随退火处理温度的提高而单调提高,在900℃退火的样品其腐蚀电位为-72.02 mV。     

退火温度对CoCrCu0.5FeTi0.5Alx高熵合金微观组织与耐腐蚀性能的影响

为了研究不同退火温度对CoCrCu_0.5FeTi_0.5Al_x高熵合金性能的影响,通过真空电弧熔炼CoCrCu_0.5FeTi_0.5Al_x(x=0、0.4、0.8)高熵合金并使用真空管式炉进行600,800,1 000℃退火实验。使用XRD测试合金的晶体结构,采用SEM观察合金微观组织,利用维氏显微硬度计和电化学工作站测试高熵合金的显微硬度和耐腐蚀性能。结果表明,退火后的高熵合金出现新的Laves相,合金相主要由FCC、BCC和Laves相混合组成。在CoCrCu_0.5FeTi_0.5Al_x(x=0、0.4、0.8)高熵合金中,x=0.4的硬度在600℃退火状态下达到最大值为883.15HV。1 000℃退火下的CoCrCu_0.5FeTi_0.5Al_0.4耐腐蚀性能达到最优,腐蚀电压和腐蚀电流密度分别为-0.396 V和6.800×1...     

共晶高熵合金的研究进展

青铜是人类历史上最早的合金,它的发明掀开了金属冶铸史新的篇章。迄今为止投入使用的实用型合金体系已达30多种,其中具备低熔点、良好流动性等特殊性质的共晶合金是应用极为广泛的一种合金,比如钢(Fe-C)、Al-Si合金、Ag-Cu合金。高熵合金被称为最近几十年来在合金化理论方面取得的三大突破之一,从理论上来说,任意选取13种常见元素就能设计出7 000多种高熵合金体系,因此,与以一种元素为主的传统合金相比,高熵合金的设计空间更大。同时,研究发现,与形成复杂金属间化合物的传统合金相比较,高熵合金能够形成单一面心立方、单一体心立方或者面心立方与体心立方共存的简单微观结构,因此高熵合金表现出高强度、高耐磨性、高耐腐蚀性等优异的性能,并且控制高熵合金的成分能够改变其特定性能,从而满足不同的设计需求。综上,高熵合金具有很大的研究价值和应用空间。在共晶合金和高熵合金基础上合成的共晶高熵合金兼具共晶合金与高熵合金的成分特点,其概念一经提出就引起了学者们的广泛关注,它的出现为合金的设计与制备提供了新的思路,与传统的高熵合金相比,共晶高熵合金具有超高强塑性、耐磨性能与耐腐蚀性能等,拥有极大的研究价值。迄今为止,多种新型的共晶高熵合金已经被成功制备,学者们对卢一平教授设计的第一种共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1的生长机理、强化机制等进行了深入的研究与分析。本文简要阐述了共晶高熵合金的合成,对目前共晶高熵合金的一些成果进行了综述,主要从成分设计、制备方法、性能三个方面进行了介绍,并对其发展前景进行了展望。