真空熔炼多组元Cu_xAlFeNiCrTi高熵合金的显微组织和性能

多组元高熵合金是一种具有五种以上组元的新型合金。通过真空电弧熔炼炉熔铸得到了不同铜含量的高熵合金Cu_xAlFeNiCrTi(x=1和0.5),再通过光学显微镜、X射线衍射仪、扫描电镜、透射电镜以及显微硬度计分析了高熵合金的显微组织、结构、硬度和耐腐蚀性能等。结果表明:高熵合金具有简单的相结构,合金硬度在800 HV以上,耐碱腐蚀性能优于耐酸腐蚀性能;随着铜元素含量的减少,合金结构由体心立方+面心立方结构变为体心立方结构,合金硬度增加,耐腐蚀性能提高。     

高熵合金相形成理论研究进展

相对于传统的二元合金,多主元高熵合金(HEAs)通常由五种及以上元素组成,呈现出结构晶格畸变、原子缓慢扩散及组织高稳定性等特征。高熵合金作为材料研究领域的一种新型合金,极易获得热稳定性很高的固溶相和纳米结构,甚至可得到非晶相,其综合性能明显优于传统合金,因此,高熵合金具有很高的学术研究价值和工业应用潜力。材料的成分和组织决定了材料最终的性能,多主元成分设计使得高熵合金相组成较为复杂,如何通过理论计算相形成规律,从而准确地预测出给定成分高熵合金的相组成,对高熵合金材料设计至关重要。研究发现混合焓H_(mix)可对高熵合金中的相组成进行确定,但简单的混合焓参数已经不能满足多主元高熵合金相预测的准确性,更多参数在高熵合金发展进程中被提出。研究发现,原子半径差δ_r及熵/焓Ω(T_A)等参数可预测出高熵合金中的固溶体(SS)相和金属间化合物(IM)相,却无法预测固溶体的具体类型。然而,K_1~(Cr)(T_A)参数的补充提高了给定热处理温度下相预测的准确性,且热处理后SS相形成域的参数值变小,这表明IM相在热处理后形成了另一种相且影响了参数值;价电子浓度VEC判据可预测FCC、BCC型高熵合金的固溶体类型,但不适用于所有的高熵合金;电负性差ΔX可对大部分高熵合金(除含大量Al之外)的拓扑闭合相稳定性进行预测,且ΔX0.133时可预测出高熵合金中有拓朴闭合稳定相存在。为了更全面准确地预测高熵合金相组成,有学者提出了较为完善的CALPHAD计算机热力学相图预测模型,由于FCC比BCC结构的动力学效应大,采用CALPHAD方法预测FCC相组成精确性较差,但对BCC相的预测十分精确。而分子轨道理论仅用一个参数Md(合金化过渡金属d轨道的平均能级),就可以预测以镍基、钴基和铁基合金为基础高熵合金中固溶体与过渡金属所形成的TCP/GCP相。本文在传统合金相形成规律的基础上,通过对现有高熵合金相形成理论进行研究,阐明了高熵合金的相结构模型;总结出固溶体与金属间化合物,面心立方FCC、体心立方BCC和密排六方HCP结构的高熵合金,以及固溶体与第二相形成规律的理论预测模型;分析所有理论预测模型的优缺点,最终总结出一套较为完整的高熵合金相组成的预测流程,有利于初学者进行高熵合金的成分设计。     

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。     

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。     

C对CoFe2NiV0.5Mo0.2高熵合金结构和力学性能的影响

研究添加0％ ～10％(原子分数,下同)C对CoFe2NiV0.5Mo0.2高熵合金显微组织、相结构和室温力学性能的影响.研究结果表明,随着C含量的增加,合金的微观组织由单一面心立方结构(FCC)转变为FCC基体+V8 C7碳化物纤维的共晶组织,再转变为FCC基体+粗大V8 C7+针状MoC组织,在转变过程中合金的压缩屈服强度明显提升,并保持较高的塑性.其中添加6％C时,合金的屈服强度和硬度可达到900 MPa、270HV.研究结果显示,以C为代表的小原子半径元素可以作为间隙固溶元素或与金属元素相结合形成碳化物第二相来提高FCC结构高熵合金的强度,改善合金的综合力学性能.     

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。     

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。     

耐热高熵多主元合金及其强韧化研究现状

航天、航空、船舶等工业的飞速发展对耐热合金提出了更高的要求.传统的耐热合金经长期深入发展,其高温性能已经挖掘至接近极限,亟待开发新的耐热合金体系.近年来提出的多主元高熵合金颠覆了传统固溶体合金的设计理念,显著拓宽了合金设计的成分范围,有望利用这一新的合金设计理念开发出性能更加优异的耐热合金体系.已提出的多种耐热多主元合金体系表现出各自独特的性能特点,也存在各自的不足.其中,体心立方结构的难熔多主元合金具有很高的高温强度,但室温韧性较差;而面心立方结构的多主元合金具有优异的韧塑性,但高温强度较低.针对这些问题,研究人员研究了多种强韧化方法,产生了显著的强韧化效果.本文总结了已有的耐热多主元合金体系,分析了不同合金的微观组织特点和强韧化机理,展望了耐热多主元合金的发展方向,以期为突破新型耐热合金体系开发的学术研究和工程应用提供一定的参考.     

FCC/L1_2共格高熵高温合金的研究进展

高温合金是航空航天、能源等领域的高端装备核心热部件的关键材料。多年来,研究人员通过微合金化和先进制造工艺等方法,不断提升传统高温合金的性能,但由于受到合金主元的熔点限制,当前先进高温合金的性能已接近其极限。自2004年以来,高熵合金作为一种新型的合金体系表现出优异的综合性能,得到了广泛关注。高熵合金包含多种主元,在性能上的鸡尾酒效应可以融合各个主元的特点,突破了单一主元对合金性能的限制。随着对材料性能需求的不断提高,高熵合金也不仅限于单相固溶体,近年来也开发了大量第二相强化的高熵合金。其中,高熵高温合金结合了高熵合金多主元设计思想和传统高温合金共格析出的结构特点,表现出稳定的FCC/L12相结构和优异的高温性能,为新型高温结构材料的开发提供了希望。然而,高熵高温合金的相形成规律缺乏可靠的理论,强化和变形机理缺乏系统研究。此外,高温材料在环境中的表面稳定性是在工程应用中衡量材料性能的重要指标,而相关研究较少。近年来,研究人员基于已有的合金设计经验和计算机模拟方法,开发了一系列高熵高温合金,通过添加多种合金化元素不断提高材料的高温性能,研究了L12相的析出形貌和热稳定性、FCC/L12间的晶格错配度等对高温强度、蠕变性能的影响,并且对一些综合性能优异的高熵高温合金进行了高温氧化和热腐蚀测试,推进了高温高熵合金的工业化应用。本文归纳了高熵高温合金的研究进展,分别对相形成规律、力学性能、高温氧化和热腐蚀等进行了简单介绍,分析了变形机制、氧化和热腐蚀机理,指明了未来高熵高温合金的发展方向,以期为高熵高温合金的研发和工程应用提供一定的参考。     

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。     

激光熔覆Co1.5CrFeNi1.5Ti0.75Nbx高熵合金的组织和性能研究

目的 研究Nb含量对高熵合金Co1.5CrFeNi1.5Ti0.75Nbx熔覆层组织和性能的影响.方法 在H13钢表面制备了Co1.5CrFeNi1.5Ti0.75Nbx(x=0.25,0.50,0.75,1.00,原子数分数)高熵合金熔覆层,研究Nb含量对熔覆层的物相组织、微观结构、硬度和耐磨性的影响.结果 高熵合金熔覆层主要为BCC相、FCC相和Laves相的组织.在熔覆层中添加Nb,Laves相随之增加,组织的微观形貌发生变化.熔覆层的硬度远远高于H13钢(退火态),Co1.5CrFeNi1.5Ti0.75Nb0.5熔覆层的平均硬度最高,约为H13钢(退火态)的2.8倍.Co1.5CrFeNi1.5Ti0.75Nb0.5熔覆层的摩擦磨损失重最小,磨损程度更低,耐磨性更好.结论 Nb元素加入高熵合金体系会形成Laves相,Laves相能够提高高熵合金的力学性能.相关结果 对于高熵合金体系的研究具有一定意义,为高熵合金的成分设计和优化提供了必要的实验支持.     

热处理对真空热压烧结NiCrCoTiV高熵合金组织结构及耐腐蚀性能的影响

采用真空热压烧结技术制备了NiCrCoTiV高熵合金,并分别在500℃、600℃和700℃下对高熵合金进行18h保温热处理。采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、电化学测试系统研究了不同热处理温度对高熵合金物相结构、微观组织及耐腐蚀性能的影响。结果表明,高熵合金的物相组成在不同温度热处理后均未发生明显改变,表现出良好的热稳定性。热处理后,高熵合金晶粒细化,析出相减少;热处理温度越高,晶粒细化效果越好。相比于未热处理的试样,热处理后试样的耐腐蚀性能明显提高,并且随热处理温度升高,耐腐蚀性能呈上升趋势。     

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。     

Diffusion barrier properties of AlMoNbSiTaTiVZr high-entropy alloy layer between copper and silicon

The application of an AlMoNbSiTaTiVZr high-entropy alloy film as diffusion barrier for copper metallization has been investigated. The AlMoNbSiTaTiVZr and copper layers are deposited sequentially, without breaking vacuum, onto silicon substrates by DC magnetron sputtering. The AlMoNbSiTaTiVZr films are found to possess a stable amorphous structure due to their high-entropy and limited diffusion kinetics. The AlMoNbSiTaTiVZr high entropy alloy film is determined to prevent copper-silicide formation up to 700 °C for 30 min. Thus, HEAs appear to have potential use as effective diffusion barriers for copper metallization.     

多主元难熔高熵合金的研究进展

近年来,高熵合金(HEAs)因其新颖的设计理念和优异的综合力学性能成为了新材料领域的研究热点之一。作为HEAs一个重要分支的难熔高熵合金（RHEAs）由于将高熔点难熔元素作为主要合金成分而具有优异的高温抗软化性能。难熔高熵合金在高温下具有良好的相稳定性,有望成为新型高温结构材料。相比于传统的高温合金,难熔高熵合金的成分范围更广,密度区间更大,抗氧化性也更好。在过去的十余年中,难熔高熵合金的研究已经取得了很大进展。许多合金和合金体系都已经进行了广泛的测试和表征,包括力学性能和氧化行为等方面,有关固溶强化、变形机制和氧化行为的新模型也正在出现并不断完善。计算机构建模型和模拟计算也逐渐应用于难熔高熵合金的研究,促进了难熔高熵合金的开发和发展。主要介绍了难熔高熵合金的成分设计,对比分析了其制备工艺和相组成,并讨论了其室温和高温时的力学性能及高温抗氧化性。最后总结了难熔高熵合金研究目前存在的问题和瓶颈,并对未来研究方向提出了建议。     

冷喷涂制备高熵合金的研究进展

高熵合金是近年来一种突破传统合金设计理念的新型多主元合金材料,在抗压强度、硬度、热稳定性、耐磨性、耐腐蚀性等方面具有显著优于常规金属材料的特质.冷喷涂作为一种固态沉积技术,在高性能涂层制备、零件修复与再制造和零构件增材制造等方面受到国内外的广泛关注,为高熵合金的制备提供了一种新的途径.通过分析国内外冷喷涂制备高熵合金的...     

A novel HfNbTaTiV high-entropy alloy of superior mechanical properties designed on the principle of maximum lattice distortion

This paper reports a synergistic design of high-performance BCC high-entropy alloy based on the com-bined consideration of the principles of intrinsic ductility of elements,maximum atomic size difference for solid solution strengthening and the valence electron concentration criterion for ductility.The single-phase BCC HfNbTaTiV alloy thus designed exhibited a high compressive yield strength of 1350 MPa and a high compressive ductility of ＞45 ％ at the room temperature.This represents a 50 ％ increase in yield strength relative to a HfNbTaTiZr alloy.This is attributed to the maximized solid solution strengthening effect caused by lattice distortion,which is estimated to be 1094 MPa.The alloy was also able to retain 53 ％ of its yield strength and 77 ％ of its ductility at 700 ℃.These properties are superior to those of most refractory BCC high-entropy alloys reported in the literature.     

Reproducibility of the single-phase structural state of the multielement high-entropy Ti-V-Zr-Nb-Hf system and related superhard nitrides formed by the vacuum-arc method

The reproducibility of the single-phase structural state of the Ti-V-Zr-Nb-Hf multielement system (a high-entropy alloy) is demonstrated using the vacuum-arc method to prepare coatings based on this system. Single-phase high-entropy compounds with a bcc lattice typical of the molten state result from vacuum deposition; preparation in nitrogen atmosphere yields single-phases nitride superhard nanocrystalline coatings based on the fcc metallic lattice.     

CoCrFeNi-M系高熵合金的结构与相变

高熵合金作为金属材料领域近年来的三大突破之一,其开拓性地打破了传统合金设计理念的思想囚笼,适当配比的高熵合金可制得具有高强度、高耐磨性及耐蚀性等优异性能的合金材料。Fe、Co、Cr、Ni四种元素在高熵合金体系中研究得最为广泛,并得到一定的研究成果。从CoCrFeNi-M系高熵合金的结构与相变特点切入,介绍了高熵合金的结构分类特点,分析了高熵合金相形成及其规律,阐述了合金元素对铸态高熵合金相结构的影响,探讨了高熵合金的热处理过程。最后,总结了高熵合金的研究现状及其存在的问题。     

过渡金属非氧化物高熵陶瓷的研究进展

高熵陶瓷是一种新兴的近等摩尔多组元单相固溶体陶瓷材料,特别是过渡金属碳化物、过渡金属硼化物等过渡金属非氧化物高熵陶瓷体系,其具有超高硬度、低热导和抗腐蚀等优异的理化性能,在航空航天、核能和高速切削加工等极端环境有着广阔的应用前景。目前,高熵陶瓷材料研究尚处于起步阶段,主要集中在成分设计、制备方法、单相形成能力和力学性能评价等方面,设计依据和理论方面的研究还相对较少。本文从高熵效应和高熵合金出发,综述了过渡金属非氧化物高熵陶瓷的制备、表征和理论研究进展,同时介绍了部分相关的高熵陶瓷涂层研究现状,总结并展望了非氧化物高熵陶瓷的未来前景和发展方向。