共晶高熵合金成分设计的研究进展

共晶高熵合金由于优异的铸造性能以及优良的强塑性匹配受到了广泛关注,然而,共晶高熵合金的成分设计始终是一项挑战。针对这一项挑战,国内外学者开发了多种共晶高熵合金的成分设计方法。每种方法各有特点和局限性,本文对共晶高熵合金的成分设计方法进行了全面评述。     

共晶高熵合金研究进展

高熵合金(HEAs)打破了传统合金的设计理念,是以多种主要元素组成的一类新型合金,但大部分高熵合金通常流动性和可铸造性较差,成分不均匀,不利于高熵合金的规模化应用。共晶高熵合金(EHEAs)可同时具有高熵合金和共晶合金的特性,减少铸造缺陷,改善了铸造性能,设计和制备共晶高熵合金具有重要的意义。概述了国内外共晶高熵合金的研究进展,介绍了合金的相组成和性能,共晶形貌的生长特征及生长机理,概括了共晶高熵合金的相形成规律和共晶成分的设计方法,最后展望了未来共晶高熵合金的主要研究方向。     

AlCoCrFeMnZr近共晶高熵合金的组织形貌及耐磨性

采用真空熔炼法制备出了AlCoCrFeMnZr近共晶高熵合金,通过XRD、SEM、显微硬度计和摩擦磨损试验机测试了AlCoCrFeMnZr合金的晶体结构、组织形貌、硬度以及耐磨性能。结果表明,AlCoCrFeMnZr合金的物相结构为BCC和HCP双相结构,组织由初生相和细密的片状共晶组织组成。初生相由富Cr、Fe、Zr的HCP相组成,以树枝晶方式生长,片状共晶组织中枝晶区域(α相)主要分布Co、Cr、Fe,晶间(β相)主要分布Al和Zr,符合高熵合金组织及元素分布规律。磨损方式由粘着磨损和磨粒磨损转变为氧化磨损,摩擦因数出现先增加后减少的趋势,平均摩擦因数为0.5432,显微硬度为768.8 HV0.5,具有优良的硬度和耐磨性。     

共晶高熵合金研究进展

共晶高熵合金是凝固过程中发生共晶转变的多组元合金,具有优异的液态充型能力和机械性能,适用于生产形状复杂、对力学性能要求较高且不能进行热机械处理的零件。共晶高熵合金具有4种及以上元素,且相组成和组织形貌对合金成分变化不敏感,因此具有很大的性能调控空间及工艺窗口。通过调控共晶高熵合金的相组成及组织形貌可使其叠加各种优异性能。本文从设计方法、制备工艺、组织结构、力学及理化性能等方面综述了共晶高熵合金的研究现状,并对共晶高熵合金未来的发展进行展望。     

高强韧共晶高熵合金的研究进展

共晶高熵合金具有高硬度、高耐腐蚀性、高耐磨性、极好的铸造性、优异的抗氧化性和磁性等诸多传统合金无法比拟的特点,是传统物理冶金领域对合金设计的一次突破,为新材料、新性能的探索开辟了新的平台.虽然目前已出现多种类型的共晶高熵合金,但对共晶高熵合金的性能和设计思路还缺乏宏观的认识.本文将综述近年来共晶高熵合金的设计方法:试验...     

高熵合金显微结构的热力学分析(英文)

对高熵合金系的液相与晶态相、金属间化合物相及非晶相之间的吉布斯自由能之差这几个热力学参数进行了分析,发现ΔSrΔHh(sol.)值的大小对高熵合金的显微结构有重要影响。结果表明:ΔSrΔHh(sol.)值较低的高熵合金倾向于形成单相fcc或bcc固溶体,而ΔSrΔHh(sol.)值较大的高熵合金通常形成相对复杂的结构。     

定向凝固法制备高强塑性多级异构共晶高熵合金

采用定向凝固和常规电弧熔炼两种方法制备AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金.运用扫描电子显微镜、电子背散射衍射仪及拉伸试验机对两种方法制备的共晶高熵合金的显微结构、拉伸性能及其变形机制进行对比研究.结果表明:采用常规电弧熔炼法制备的AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金具有精细规则的共晶层片结构,抗拉强度为1.05 ...     

CoCrFeNiNbx高熵合金的研究进展

近十几年来,作为一种研究热门的新型合金,高熵合金已获得了材料界广泛的关注.其中,以等原子比CoCrFeNiMn合金为原型,已报道大量力学性能优异的fcc结构的高熵合金.近几年,由于其优异的铸造成形性能与综合力学性能,共晶高熵合金也逐渐得到科研人员的重视.本工作选取CoCrFeNiNbx合金体系,以析出强化型高熵合金和共...     

选区激光熔化共晶高熵合金凝固行为

采用选区激光熔化技术(SLM)制备了Fe23.3Co25.1Cr18.8Ni22.6Ta8.5Al1.7共晶高熵合金,研究了工艺参数对凝固组织演化的影响.结果表明:SLM产生的高过冷度是影响共晶高熵合金组织形态变化的主要因素.通过计算共晶和枝晶生长速率与过冷度的关系,发现当过冷度?T>129 K时,面心立方(FCC)相...     

热机械处理Al-Co-Fe-Ni共晶高熵合金组织性能研究

共晶高熵合金具有优异的强塑性匹配,同时还兼具传统共晶合金良好的铸造性能,对高熵合金的实际化应用有着重大的意义。而如何进一步提升共晶高熵合金的强塑性能,成为了高熵合金领域的研究热点。本文以Al₂₁Co_19.5Fe_9.5Ni₅₀共晶高熵合金为研究对象,探究了热机械处理对合金微观组织和拉伸力学性能的影响规律。并结合合金微观组织和相结构对合金应变硬化能力的影响,阐明了热机械处理条件下合金的变形机制及其对合金力学性能的影响。结果表明,经过热机械处理后合金由共晶层片组织转变为近完全等轴晶组织,且FCC相中析出L1₂相。热机械处理后合金在拉伸变形过程中,随着应变量的增加FCC相内位错密度增加,B2相发生应力诱发马氏体相变而形成具有相互交错孪晶结构的L1₀相,最终在FCC相与B2相双重强化机制下,表现出更高的屈服强度(551 MPa)和断裂伸长率(10.2%),加工硬化率曲线出现显著变化。     

CoCrFeNi高熵合金在金属氧化物熔盐电脱氧中的形成过程

在1173 K下将金属氧化物在CaCl₂熔盐中进行电脱氧,制备了CoCrFeNi高熵合金。通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线能谱（EDS）研究了不同电解时间下金属氧化物转化为高熵合金的相变过程。结果表明,CoCrFeNi高熵合金的形成过程包括快速脱氧和深度脱氧2个阶段。在快速脱氧阶段,在1 h内去除了烧结氧化物球团中93.93%（质量分数）的氧,电流效率达到89.95%。电解结束后,产物的氧含量可达0.26%（质量分数）,电流效率为17.93%。该高熵合金的形成过程可用于指导建立低成本、高效率的电化学路线。     

Al0.4CoCrCuFeNi高熵合金在生活环境中的抗菌性能

目的 利用高熵合金多主元的设计思想,添加高含量的铜制备出具有优良机械性能的新型含铜抗菌高熵合金(Antibacterial High-entropy Alloy),探究其在多种复杂生活环境中服役时的抗菌性能。方法 通过XRD分析高熵合金的物相组成。通过拉伸试验研究该高熵合金的机械性能。采集多种生活环境下的微生物群落,通过平板涂布、场发射扫描电子显微镜和激光共聚焦显微镜观察细菌生长与成膜形貌,对比分析高熵合金的抗菌性能。通过基因测序,经由OTU聚类分析与物种分类学分析等研究手段,统计和分析菌落结构与物种多样性。通过活性氧簇分析,探究高熵合金的杀菌机理。结果 Al0.4CoCrCuFeNi高熵合金的屈服强度为(308±10) MPa,高于传统抗菌不锈钢材料。通过抗菌试验结果得出,高熵合金的抗菌率达到99.99%以上。通过扫描电镜分析和活死染色结果,发现AHEA表面菌落数量显著减少且几乎没有任何活的微生物。此外,通过测序结果可以看出,易黏附于普通金属样品表面的优势菌种多为有害致病菌,包含细菌和真菌,而AHEA对它们有着良好的抑制作用。结论 AHEA可以作为一种高效的抗菌材料,不仅能防止细菌在金属材料表面繁殖生长,还能有效抑制真菌生长和生物被膜的形成,综合性能远优于传统抗菌合金。     

Fe-Ni-P-B共晶合金的深过冷凝固组织演化

采用玻璃熔覆法使Fe-Ni-P-B共晶合金在不同过冷度条件下凝固,研究了其组织随过冷度的演化规律.结果表明,随着过冷度的增加,凝固组织形态逐渐从棒状规则共晶向不规则的粒状共晶组织转化.当T＜35 K时,棒状规则共晶组织随过冷度增加而逐渐细化;当35 K＜ T＜150 K时,凝固组织由团状非规则共晶与棒状规则共晶构成,且随着过冷度增加非规则共晶逐渐增多,规则共晶组织减少,共晶间距增大;当T＞150K时,获得完全非规则共晶组织.应用Jackson-Hunt共晶生长模型和枝晶熔断理论,对Fe-Ni-P-B共晶合金凝固组织形成机制进行了分析讨论.     

Deformation Behaviors of an Additive-Manufactured Ni32Co30Cr10Fe10Al18 Eutectic High Entropy Alloy at Ambient and Elevated Temperatures

Eutectic high-entropy alloys (EHEAs) that have superior formability are attractive for direct laser deposition technology. In this study, a regular-shaped bulk Ni₃₂Co₃₀Cr₁₀Fe₁₀Al₁₈ EHEA without apparent pores and micro-cracks was successfully fabricated by direct laser deposition. The as-deposited alloy showed a high tensile strength of 1.3 GPa with a ductility of 35% at ambient temperature and a tensile strength of 320 MPa at 760 °C. The deformation mechanisms of the as-deposited alloy at ambient and elevated temperatures were investigated by coupling the in-situ tensile test with a scanning electron microscope. It is revealed that the excellent combination of strength and ductility originated from the synergic effects of the FCC and B2 phases in eutectic lamellae. And the generation of cracks along phase boundaries restricted its high-temperature strength above 760 °C.     

激光熔覆CoCrCu0.4FeNi高熵合金涂层的微观组织和性能

目的 提高零部件的硬度和耐磨性。方法 采用Ni-Cr-B-Si、Co-Cr-B-Si自熔合金以及Cu粉在Q235钢基体上激光熔覆CoCrCuFeNi高熵合金涂层,激光功率为2.2、2.4 kW,扫描速度为9、12 mm/s,利用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)分析涂层的微观组织,并测试了涂层的显微硬度。结果 Cu含量较高的涂层与基体形成了良好的冶金结合,但在涂层中存在严重的Cu偏析现象;Cu含量较低的涂层与基体结合处附近存在少量孔洞缺陷,局部区域具有调幅分解,涂层微观组织主要由树枝晶和枝晶间组成,树枝晶为FCC1,富Cu贫Cr,枝晶间为FCC2,富Cr贫Cu,还存在少量的纳米相,形成了具有C和B间隙固溶的CoCrCu_0.4FeNi高熵合金涂层。熔覆的涂层厚度为2.19～2.58 mm,涂层枝晶厚度为2.2～7.3μm,且枝晶越小,硬度越高。涂层的显微硬度为280～300HV0.2,基体的硬度为110～130HV0.2,约为基体的2.5倍。结论 采用Ni-Cr-B-Si、Co-Cr-B-Si自熔合金和Cu粉激光熔覆了CoCrCuFeNi高...     

激光熔化沉积CoCrNiNbW高熵合金耐磨及腐蚀性研究

目的 解决Q235钢材料在实际应用中由于磨损、腐蚀导致使用寿命缩短问题,提升Q235钢表面的硬度、耐磨性和耐蚀性。方法 利用激光熔化沉积技术在Q235钢表面制备无裂纹CoCrNiNbW高熵合金涂层。采用扫描电子显微镜、X射线光谱仪、光学显微镜表征其微观组织结构、元素分布和物相成分;采用显微硬度计、试块-试环摩擦磨损试验机分别测试高熵合金涂层和Q235钢的显微硬度和耐磨性能,研究涂层的强化机制和磨损机理;采用电化学工作站测试分析高熵合金涂层和Q235钢的电化学腐蚀行为,研究涂层的耐蚀性和腐蚀机制。结果 CoCrNiNbW高熵合金涂层的微观组织主要由等轴晶组成,涂层中部和底部存在未熔化Nb和W颗粒,起强化相作用;主要物相由富含Co、Ni的FCC相及富含Nb的BCC相组成;高熵合金涂层的平均显微硬度为800HV0.2,约为基材的4倍;涂层的磨损机制以磨粒磨损为主,磨损率为2.315´ 10^–5 g.m^–1,约为基材的1/5;在质量分数3.5%的NaCl溶液中,高熵合金涂层具有更好的耐腐蚀性,腐蚀电阻约为基材的8倍。结论 高熵合金涂层的显微硬度、耐磨性和耐腐蚀性较Q235钢基材有很大提升。     

Redetermination of the Eutectic Composition of the Co-Sn Binary Alloy

A series of Co-Sn alloys was solidified. It was found that the as-cast microstructure of the Co-20.5at.%Sn alloy, which on the basis of literature reports has long been thought to be the eutectic composition, contains much primary phase besides lamellar eutectics. The cooling curve of this alloy contains two exothermic peaks. In contrast, when a Co-24.0at.%Sn alloy was solidified, an entire lamellar eutectic was obtained in the as-cast microstructure. Also, the thermal analyses indicate that there is only one solidification reaction in this alloy. It is suggested that the actual eutectic composition of the Co-Sn system is around Co-24.0at.%Sn, and the corresponding eutectic temperature is about 1385 K.     

AlCrCuFeNbxNiTi高熵合金组织与性能研究

采用电弧熔炼制备了AlCrCuFeNb_xNiTi (x = 0, 0.25, 0.5, 1.0)高熵合金,研究不同Nb含量对AlCrCuFeNb_xNiTi高熵合金显微组织和力学性能的影响。研究表明：AlCrCuFeNb_xNiTi (x = 0, 0.25, 0.5, 1.0)高熵合金物相主要包含有序FCC的L2₁相和Laves相,还有少量的BCC(A2)和FCC相;Nb元素的添加能促进Laves相的生成且对Cu元素的偏析具有一定的抑制效果;通过相判据参数计算找到了适合AlCrCuFeNb_xNiTi高熵合金的相形成判据;添加适量的Nb元素能够改善AlCrCuFeNiTi六元高熵合金的力学性能;AlCrCuFeNb_0.5NiTi 高熵合金具有较好的综合力学性能,抗压强度达到1587.4 MPa,硬度达到568.8 HV;Nb元素含量过高时会形成过多的Laves相使合金表现出过早脆化现象。     

冷却过程中共晶组织的形成和转变

采用液淬方法，探讨了共晶成分铝硅合金在冷却过程中共晶组织的形成和转变规律。研究表明：在共晶温度以上的激冷试件中，呈现亚共晶组织，存在着初生α和共晶硅的粗化过程；共晶α首先依附在初生α四周形成，然后两相共同伸向共晶液体；同时，在初生α内部也有硅相析出；从凝固结束到室温的缓慢冷却过程中，高于固溶度的硅继续析出，硅片继续粗化，使初生α与共晶α的差别消失，最后形成粗大硅片均匀分布在固熔体基体上的共晶组织。