高熵合金高温抗氧化性的研究进展

高熵合金在高温下具有优异的力学性能,但在高温下抗氧化性能的不足制约了其实际工业应用.概述了高熵合金的氧化机理,包括氧化动力学规律、氧化行为以及合金元素氧化顺序规律等,归纳了高熵合金在高温下存在的问题.在此基础上,重点综述了近年来高熵合金高温抗氧化性的研究进展.其中,通过添加可生成保护性氧化物的元素可以提高高熵合金氧化层中氧化物的金属原子与其氧化物分子的体积比(Pilling-Bedworth Ratio,简称PBR),进而增强抗氧化性.但在一些特定的高熵合金中,会因其他影响氧化性的因素,降低抗氧化性.如在难熔高熵合金中加入Cr会生成Laves相进而造成晶界间的内腐蚀;含Al高熵合金中加入Ti,在氧化过程中,反而会破坏氧化物层的致密性;含有Laves相的高熵合金中添加Si,会减弱其抗氧化性.1500℃以下的高温环境中,添加超高温陶瓷或者使高熵合金陶瓷化的方法,对高熵合金抗氧化性的提升效果较好,但1500℃以上,这种高熵合金高温抗氧化性能急剧下降.最后从添加有助于生成致密氧化层的元素、引入陶瓷相、制备抗氧化涂层3个方面,对未来抗氧化性高熵合金体系的开发、性能的优化及应用进行了展望.     

钛合金表面抗高温氧化涂层的研究进展

钛合金在制造航空航天发动机等关键部件方面具有重要的应用价值,但高温性能不稳定是制约其发展前景的主要原因。采用激光熔覆技术在钛合金表面制备耐高温涂层,是在不改变钛合金材料整体性能的前提下赋予材料表面特殊性能的重要途径。首先介绍了钛合金的氧化行为,并简要分析了钛合金在氧化过程中的氧化特点及失效形式,指明其改善途径。随后总结分析了目前常用的镍基高温涂层、TiAl系高温涂层和高熵合金高温涂层的研究现状,其中镍基合金涂层具有较高的结合强度、良好的耐磨性和优异的耐蚀性,但由于涂层与基体中元素的扩散速率不同导致的差异,造成柯肯达尔空洞的产生,涂层变得不稳定,涂层与基体的结合强度降低。TiAl基合金的高温性能与镍基高温合金相近,且密度小,有代替镍基合金的发展趋势,其涂层表面可以生成均匀致密的Al2O3氧化膜,并且与钛合金基体间的化学成分差异小,基本不发生互扩散现象。但二元TiAl系涂层对于Al的用量有严格的要求,当其使用温度超过850 ℃时,抗氧化性能也会严重降低。因此Ti-Al-X系涂层中X元素（例如Cr、Si、Ni等元素）的添加,可以适当地降低Al含量,促进均匀致密的Al2O3氧化膜的形成,有效地阻止氧元素向基体的扩散,并且比二元TiAl涂层的脆性要低、塑性更好。高熵合金高温涂层具有许多优异的性能,调整其中某一种或者某几种元素的含量都可以进一步优化性能,因此应用前景极为广阔,但其还处于实验室研究阶段,元素配比的不合理,基体元素对熔覆层的反作用,都会使高熵合金的脆性和力学性能达不到理论效果,不能进入真正的应用阶段。最后展望了激光熔覆技术在钛合金表面制备高温涂层的发展趋势。     

合金元素对激光熔覆高熵合金涂层影响的研究进展

介绍了激光熔覆高熵合金涂层的硬度、耐蚀性、热稳定性及抗高温氧化性等性能。总结了合金元素对高熵合金涂层性能的影响。阐述了激光熔覆技术制备高熵合金涂层近些年的研究进展,并且指出了该技术制备涂层所存在的问题以及未来展望,以期制备出性能优异的高熵合金涂层。     

难熔高熵合金的强韧化途径与调控机理

在众多高熵合金中,由5种或5种以上的难熔金属元素,按照等原子比或者近等原子比混合形成的难熔高熵合金,凭借稳定的相结构和优异的高温性能,在高温材料领域具有广阔的应用前景。本文从难熔高熵合金的研究现状出发,综述典型难熔高熵合金的微观组织和相组成、室温和高温力学性能、强韧化机理与力学性能调控,并对未来难熔高熵合金的研究开发进行展望。首先,将难熔高熵合金按照组成相进行分类,分析了难熔高熵合金的微观组织和相组成,然后总结了难熔高熵合金的室温和高温力学性能与强韧化机理,并讨论了3种不同的强韧化方案,即化学成分调控、工艺调控和相结构调控。最后对未来难熔高熵合金的发展进行了展望,并对其未来重点研究方向提出了如下建议：借助计算机等技术,模拟与计算材料的性能与形成相,构建难熔高熵合金的研究平台与数据库;借助组合实验方法,加快筛选新的难熔高熵合金;掌握自上而下和自下而上的实验方法,探究性能优异的新型难熔高熵合金体系。     

N对CoCrFeMnNi高熵合金抗氧化性能的影响

采用真空悬浮熔炼法制备CoCrFeMnNiN_x(x=0,0.05,0.1)高熵合金,利用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)对700~1000℃高温氧化后合金氧化层形貌、成分和结构进行了分析,研究N元素对CoCrFeMnNi高熵合金抗氧化性能的影响。结果表明:在700℃和800℃下,合金的氧化层以Mn_2O_3为主;在900℃下,氧化层以Mn_3O_4为主;在1000℃下,合金的氧化层则主要是Cr_2O_3,这是由于合金在该温度下,表面含Mn氧化物易剥落,从而导致过渡层上含Cr的氧化物裸露于表面。700~1000℃氧化CoCrFeMnNiNx高熵合金均可评定为完全抗氧化级,且该合金体系的抗高温氧化性能随含N量的增加而提高。     

高熵合金涂层研究进展

金属材料的失效往往是从材料表面开始,强化材料表面品质会延长金属构件的使用寿命,提高使用效率。高熵合金由于其具有优异的耐腐蚀性、耐磨性、抗高温氧化性等特点受到广泛关注。高熵合金性能的多样性使其可以作为金属表面涂层材料。基于现有研究,综合分析高熵合金涂层对金属材料表面性能的影响,总结了高熵合金作为涂层时的性能特点及高熵合金涂层的制备方法,并提出了该领域技术面临的问题及发展趋势。     

磁控溅射制备高熵合金薄膜研究进展∗

作为新兴合金材料,多主元高熵合金打破了传统合金中主要组成元素为一种或两种的合金设计理念,由至少五种主要元素构成,从而获得的高熵效应使其在性能上往往比传统合金具有更大的优势,如高硬度、高强度、抗高温氧化、耐腐蚀等。 近年来,高熵合金薄膜的性能及制备技术同样备受学术界和工业界的关注。 磁控溅射薄膜制备技术具有成膜温度低、膜层致密、结合力好等优点,已逐渐应用于高熵合金薄膜的制备及性能研究,具有非常大的工程应用前景。 介绍直流、射频、离子束及脉冲磁控溅射的特点及其在高熵合金薄膜中的应用,重点分析不同磁控溅射技术下制备的高熵合金薄膜的相结构特点和规律,并系统地阐述薄膜优异的各种性能,最后展望磁控溅射技术制备高熵合金薄膜发展的方向。     

Al_(0.5)CrCoFeNi高熵合金高温氧化的研究

采用真空电弧炉在氩气保护下熔炼Al0.5Cr Co Fe Ni高熵合金,在不同温度(800~1100℃)下进行100 h的高温氧化实验,测定其氧化动力曲线,采用X射线衍射仪和扫描电镜等方法分析氧化层结构和形貌。结果表明:Al0.5Cr Co Fe Ni高熵合金在800和900℃形成的氧化膜较完整且致密,具有较为优异的抗氧化性能。在1000和1100℃形成的氧化膜较厚,膜内有大量裂纹与孔洞,抗氧化性能较差。氧化初期,界面反应起主导作用,随着氧化膜的生长,扩散过程发挥越来越重要的作用,成为继续氧化的控制因素,以致一种或多种合金元素氧化物在表面析出,形成尖晶石类内层氧化物Ni Cr2O4、Co Cr2O4、Fe(Cr,Al)2O4内氧化层。在高温氧化过程中,N2会参与反应,与Al发生较强反应,生成Al N颗粒,进一步的氧化过程使Al N再次氧化,N2逃逸,留下具有Al N外形的空洞。     

NbZrTiTa高熵合金的高温氧化行为

采用循环氧化考核法以及借助XRD、SEM等技术对电弧熔炼制备的NbZrTiTa高熵合金的高温氧化行为进行了研究。结果表明:NbZrTiTa高熵合金在1000～1400℃温度范围内的氧化速率常数和氧化激活能分别达到1.1×10~(-7)～1.0×10~(-6) g~2·cm~(-4)·s~(-1)和97 kJ/mol。NbZrTiTa高熵合金的氧化反应类型为内氧化。高温氧化过程中,氧元素沿具有强晶格畸变和大量位错的富TiZr区扩散,并与金属组元发生反应依次生成不饱和氧化物和饱和氧化物。在组元的高活性以及严重的晶格畸变的共同作用下,NbZrTiTa高熵合金具有极高的氧化活性,展现出了较强的作为结构释能材料的应用潜力。     

Al0.5FeCoCrNi(Si0.2,Ti0.5)高熵合金的高温氧化性能

采用真空电弧炉熔炼制备了Al0.5FeCoCrNi,Al0.5FeCoCrNiSi0.2和Al0.5FeCoCrNiTi0.5高熵合金(下标均表示摩尔比)。研究了三种高熵合金在900℃空气中的抗氧化性能,并用带有能谱仪的扫描电镜和X射线衍射仪对不同成分高熵合金氧化层的形貌、成分和结构进行了对比分析。结果表明,三种高熵合金在900℃下均属于抗氧化级。Al0.5FeCoCrNi合金和Al0.5FeCoCrNiSi0.2合金的氧化增重曲线相似,Al0.5FeCoCrNiTi0.5高熵合金的氧化增重速率较大。Al0.5FeCoCrNi,Al0.5FeCoCrNiSi0.2高熵合金表面均生成Cr2O3氧化物,内部均生成少量AlN颗粒;Al0.5-FeCoCrNiTi0.5高熵合金氧化产物为CoFe2O4尖晶石氧化物及富含钛和铁的复杂氧化物,内部产生少量氮化物颗粒。     

轻质高熵合金的研究进展

目前以一种或两种金属元素为主元的传统轻质合金在工业应用上有诸多局限性,如铝合金室温强度低、镁合金室温塑性和耐腐蚀性差且不易加工等。2004年叶均蔚首次正式提出高熵合金概念。高熵合金概念的提出为轻质合金的发展提供了新方向。区别于传统轻质合金,轻质高熵合金具有多种主元元素且混合熵较高,往往倾向于生成简单固溶体相。且轻质高熵合金表现出四大显著效应,即热力学上的高熵效应、动力学上的缓慢扩散效应、结构上的晶格畸变效应及性能上的"鸡尾酒"效应。独特的晶体结构和特性,使得轻质高熵合金具有传统轻质合金无法比拟的优点,如高强度、高硬度、优良的高温抗氧化性和耐腐蚀性能等。综述了轻质高熵合金的研究现状,阐述了轻质高熵合金的组元设计、制备方法、微观结构及合金性能,分析了轻质高熵合金现存的问题,并对轻质高熵合金未来的发展趋势进行了展望。     

Al对低中子吸收截面Ti-Zr-Nb高熵合金的微观结构和腐蚀行为的影响

针对Al对低中子吸收截面Ti-Zr-Nb系高熵合金的微观结构和腐蚀行为进行了研究。比较了不含Al和含15at%Al的Ti-Zr-Nb合金的相图、微观结构、氧化行为和腐蚀行为。相图计算结果表明,在熔点下Ti-Zr-Nb三元合金为bcc相,添加的Al会倾向于在合金中形成不同的金属间化合物,而缩小相图中bcc单相区的温度区。XRD和TEM结果表明,熔炼获得的Ti-Zr-Nb三元合金为简单的bcc结构,而Al会导致晶体结构转变为有序的B2结构。通过热重分析和高压釜试验对Ti-Zr-Nb系高熵合金的腐蚀行为进行了研究。结果表明,在腐蚀过程中,Ti-Zr-Nb三元合金的氧化膜容易发生剥落,而添加Al会提高氧化层的稳定性,但不会改变腐蚀氧化层的主要氧化物种类。通过计算反应速率常数和激活能对氧化动力学进行了研究,发现添加Al的Ti-Zr-Nb系合金的高温氧化性能与Zr合金接近。     

Influence of Cu content on high temperature oxidation behavior of AlCoCrCuxFeNi high entropy alloys (x = 0; 0.5; 1)

Studies on the oxidation behavior of high entropy alloys from the Al-Co-Cr-Cu-Fe-Ni metallic system were conducted. Three different high entropy alloys were synthesized using arc-melting method: AlCoCrFeNi, AlCoCrCu_0.5FeNi and AlCoCrCuFeNi, with their crystal structures being respectively BCC, BCC and BCC + FCC. All alloys were oxidized in the air atmosphere at temperature of 1273 K for different time periods. Basing on the thermogravimetric result, the oxidation rate of the materials decreased with the increase of Cu content and the values of parabolic constants were on the level similar to those observed in Ni-Al intermetallic alloys. In all cases the oxide scale consisted of α-Al₂O₃, which exhibited poor adhesion to the surface during the cooling process, what was especially visible in alloys with Cu addition. In all oxidized samples a tendency towards formation of the Al-depleted FCC phase directly beneath the scale was observed. The phase constitution of all materials changed significantly during the oxidation process, with multiple new phases appearing in the system.     

Ti对Fe-Cr-Ni系合金抗氧化性能的影响

<正> 寻求适合在煤的气化环境中长期工作的合金材料得到了人们的重视。这个环境的特点是既有高温氧化作用,又有高温硫化腐蚀。在Ni-Cr合金中加入少量钛能抑制硫化,但不锈钢加入钛后在低氧分压下的氧化速率却有所增高。因此,须进一步探究钛的作用。 本工作研究钛对310和801合金抗高温氧化性能的影响,讨论钛的作用机制。     

Mo含量对FeCoCrNiMox高熵合金等离子喷焊层组织与性能的影响

目的 研究不同Mo元素添加量对FeCoCrNiMox(x=0、0.5、1、1.5)高熵合金等离子喷焊层组织和性能的影响,以期望获得一种高硬度、耐腐蚀的喷焊层,用于改善传统工模具表面防护与使用寿命的问题。方法 采用等离子喷焊技术在Q235A低碳钢表面制备了不同Mo含量的高熵合金喷焊层,通过X射线衍射仪(XRD)、光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、能量色散X射线光谱仪(EDS)表征其微观组织与相结构,借助显微硬度计和电化学工作站对喷焊层的硬度和耐腐蚀性能进行测试。结果 随着Mo含量x从0逐渐增加到1.5,喷焊层的晶界胞状枝晶组织(枝晶内为白色富Mo相,枝晶间为灰色富Fe、Ni相)逐渐增加,合金微观组织变得细小;喷焊层的硬度由204.4HV0.2增加至706.8HV0.2;喷焊层在3.5%NaCl溶液中呈现出明显的钝化行为,腐蚀电位由?0.753 V增大到?0.412 V,腐蚀电流密度由1.23×10^?4 A/cm²减小到3.80×10^?6 A/cm²,点蚀电位由?0.642 V增大到?0.371 V,具有优异的耐腐蚀性能。结论 所设计的FeCoCrNiMox合金及相应的等离子喷焊工艺,满足对喷焊层高耐磨以及耐腐蚀性的要求,有望应用于传统工模具的表面防护与修复。     

高熵形状记忆合金相变行为研究现状

随着先进工程技术对形状记忆合金性能要求的不断提高,传统形状记忆合金愈发难以满足要求,高熵形状记忆合金应运而生,引起了研究者的极大关注。高熵形状记忆合金相较于传统形状记忆合金具有显著提高的可回复应变、屈服强度、高温物相稳定性和超弹性等特性,具有广阔的应用前景。本文对高熵形状记忆合金的研究现状、马氏体相变和形状记忆效应等进行了简要的论述,并对高熵形状记忆合金目前存在的不足和未来的发展进行了展望。     

Early‐stage oxidation behavior of Co‐rich high‐temperature alloys

The long‐term oxidation performance of an alloy is critically linked to the early‐stage oxidation behavior of high‐temperature alloys. This study investigates early‐stage oxidation behavior in terms of oxidation kinetics, scale evolution, and residual stresses developed within a scale of the commercially available cobalt‐rich alloys: HAYNES® 188, 6B, 25, and HR‐160® and a newly developed nitride‐dispersion strengthened NS‐163® alloy (HAYNES®, HR‐160®, NS‐163® are registered trademarks of Haynes International, Inc). Short‐term isothermal oxidation exposures were conducted in flowing air at 982 °C for durations of 1–50 h. Oxidation kinetics was assessed by weight‐change behavior, which showed that 188 alloy exhibited the lowest weight‐gain, while for similar times HR‐160 alloy underwent weight‐loss. SEM/EDS analysis was performed to characterize oxides formed in these alloys, while stresses developed in the oxides of different alloys were measured using synchrotron X‐ray radiation. The results in this paper clearly demonstrated the effects of alloy composition on the scale evolution and the amount of stresses developed in oxides.     

Comparative Behaviour of Specialty Austenitic Stainless Steels in High Temperature Environments

Two different alloying strategies may be utilised to improve the high temperature performance of austenitic stainless steels: increasing the chromium content, sometimes in combination with a higher nickel level; and alloying with silicon, nitrogen and rare earth metals. The relative merits of the two approaches are explored by comparing the performance of commercial alloys in oxidation tests in air–water vapour, corrosion tests in an oxidising-sulphidising atmosphere and with applied deposits, and creep and fatigue testing. Significant increases in high temperature performance are achieved by selecting specialty heat-resisting austenitic stainless steels, and it will be shown that the choice of grade should be governed by the dominant operative degradation mechanisms.     

钛合金表面技术的进展

钛合金具有抗腐蚀能力强、强度高、密度低、中温性能稳定等一系列的特征，但其所固有的一些缺点限制了它的应用，例如对粘着磨损非常敏感、容易氧化，对聚合物，金属及陶瓷涂层附着力差等。为克服这些缺点采取了相应的对策与手段，着重指出Ag,Cd镀层可用于钛合金在低温下的耐磨防护；Co CrO3复合镀层及阳极氧化＋干膜润滑剂等可用于钛合金在中温条件下的耐磨防护。随着钛合金使用温度的提高，TixAlyN涂覆层则代表了钛合金耐磨防护的发展方向。