高熵合金强韧化方法及力学性能的研究进展

自高熵合金被首次报道以来,其优异的力学性能引起了国内外学者的广泛关注.高熵合金的高强度、高硬度、高耐磨性、耐腐蚀性以及其在极端温度下的服役能力,都表明高熵合金在未来工业应用中具有巨大潜力.随着对高熵合金的深入研究,从元素比例的改变到元素种类的改变再到新组元的添加,每一次高熵合金力学性能的优化与发展均伴随着结构的改变.尽管如此,高熵合金的力学性能依旧有很大的提升空间.因此,如何合理设计高熵合金的微观结构、提升其力学性能是当前研究的热点问题.在高熵合金中,已存在的强韧化方法有细晶强化、固溶强韧化、共晶组织强韧化、孪生诱导塑性(Twinning induced plasticity,TWIP)效应强韧化、相变诱导塑性(Transformation induced plasticity,TRIP)效应强韧化和第二相强韧化等.其中,细晶强化与第二相强化在绝大多数高熵合金中都存在且很容易通过热机械处理来实现.因此,如何在强化机理、组织特征、力学性能三者之间建立联系,是当前亟待解决的问题.本文归纳了高熵合金强韧化方法的研究进展,从高熵合金的优秀力学性能入手,分别介绍了固溶强化、短程有序(Short-range ordering,SRO)强化、γ'相强化、晶粒异构强韧化等结构设计理念,并且讨论了各种结构对高熵合金变形机制和力学性能的影响,分析了当前高熵合金的发展前景,以期为后续关于组织特征与力学性能建立有效联系提供参考.     

体心立方BCC基多元合金中的共格析出及强化

固溶体基体上析出的第二相粒子的种类、形貌(大小和形状)以及分布,对提升合金的力学性能具有决定性作用,其中第二相粒子的共格析出更有利于提升合金的高温力学性能。例如,正是由于立方形态的L1_2-Ni_3Al有序超结构相在FCC固溶体基体的共格析出,才使得Ni基高温合金具有优异的高温力学性能。近年来,体心立方(BCC)基多元合金中的第二相共格析出强化使得该类合金展现出优异的力学性能,尤其是优异的高温强度,引起了广泛关注。在传统的BCC基工程合金材料中,主要采用非共格和半共格析出相对合金进行强化,然而第二相粒子在时效过程中易发生粗化,使得合金脆性增加,从而导致合金对工艺异常敏感。最新研究表明,在BCC基多主元合金中,可实现有序B2(L2_1)相在无序BCC基体上的共格析出,有望改善BCC基合金的强韧性。目前,获得的共格组织多表现为编织网状的调幅分解组织,很难实现球形或立方形态的共格纳米粒子析出,这也会造成合金具有极大的脆性,故如何在BCC基多主元合金中获得立方形或球形的共格粒子是目前的研究热点。研究表明,基体与有序析出相间的点阵错配度是决定析出粒子形状和大小的最关键因素,故通过调节多主元合金中的元素类型及含量来调控BCC基体和有序析出相(B2/L2_1)的成分,以调节二者的点阵错配,可以获得期望的共格组织。如BCC基特种钢和高熵合金中,通过调控成分可以调整BCC基体与共格B2相之间的点阵错配,继而使球形/立方形的B2粒子共格析出在BCC基体上,以获得一系列性能优异的BCC基特种钢及高熵合金。本文详细总结了几种典型的BCC基多元合金(如特种钢、高熵合金等)中共格析出相粒子的形貌、分布及力学性能;讨论了点阵错配度与析出粒子形貌之间的关系;并阐述了析出强化的机制;最后对共格析出强化的BCC基多元合金的发展及应用前景进行了展望。     

沉淀强化高熵合金研究进展

高熵合金是一类由多种主要元素共同组成的新型金属材料,其具有独特的微观结构和可调性能,在国内外已获得广泛关注。沉淀强化被证明是提高高熵合金屈服强度的一种非常有效的手段,并且沉淀相和基体之间的共格界面对于实现强度和塑性的良好结合非常重要。合理控制沉淀相的类型、形状、大小和体积分数是提高合金强塑性的关键因素。研究证实,采用不同的轧制、退火和时效等热处理工艺可调控合金的基体微观组织、沉淀相特征。沉淀强化高熵合金虽然表现出优异的拉伸性能和热稳定性,但目前对其疲劳、蠕变和氧化行为及相关机理等尚不清晰。因此,应对材料进行综合评价以促进性能优越的高温器件的合理设计和制造。使用计算模拟的方式对沉淀相的元素分布、电子结构、成键状态等内在特性进行量化研究,对沉淀相的演化过程进行针对性的预测和控制,有助于合理设计合金成分体系。本文综述了沉淀强化高熵合金的相形成、力学性能、热稳定性和计算机建模等方面的研究进展,归纳总结了相关问题,对今后设计沉淀强化高熵合金具有一定的指导意义。     

颗粒增强高熵基复合材料成形及其摩擦学性能研究进展

高熵合金是近十几年新发展起来的一种全新概念的多元合金,其在物理、化学性能和力学性能方面有很多优点,为了解决高熵合金在摩擦磨损应用方面的局限性,提高其综合力学性能,以高熵合金为基体加入增强相合成的复合材料(HEAMCs)成为金属领域研究的热点。基于此,根据研究现状综述了不同HEAMCs的制备成形方法,从制备方法的优缺点对粉末冶金法、熔炼法、激光熔覆法进行了详细的分析。归纳了HEAMCs中纳米细晶强化及第二相协同强化两个方面的强化机制,分别概括了室温和高温情况下HEAMCs的摩擦磨损性能的研究,最后对HEAMCs目前所面临的挑战及未来的发展进行了讨论和展望。     

高熵合金强韧化的研究进展

高熵合金拥有优异的力学性能,包括高强度、高硬度、良好的耐蚀性和耐磨性等,作为结构材料应用极具潜力。对高熵合金力学性能优化的研究尽管仍处于探索阶段,但已经引起了广泛关注并取得了一些成果。传统上合金的强化机制可分为固溶强化、位错强化、细晶强化和第二相强化。考虑到高熵合金倾向于形成固溶体,固溶强化是一种行之有效的强化机制。可通过加入其中一种主元或者与主元半径差不多的元素形成置换固溶体(通常是过渡金属元素);也可以加入小半径元素如C、N、B等形成间隙固溶体。热机械处理是金属材料常见的预处理工艺,通过轧制等压力加工手段和再结晶退火能够很明显地提高位错密度以及细化晶粒尺寸,从而实现高熵合金的强韧化。第二相强化是近年来比较流行的强化方式。热力学分析可以有效帮助确定退火温度以获得第二相颗粒,甚至控制第二相的尺寸和形貌。位错与第二相颗粒以切过机制或绕过机制发生交互作用,从而提高合金的力学性能。除通过改变内部组织来提升性能外,通过表面处理也可实现强韧化。对塑性较好的高熵合金进行渗碳、渗氮和镀膜等处理通常可以获得表硬内韧的组织结构。渗碳渗氮对表层的硬化源于间隙固溶和第二相析出,镀膜的优化效果则源于膜与基体的紧密结合,可以同时表现出两者的性能优势。本文主要从内在强化机理的角度出发,论述了添加组元、热处理工艺等对高熵合金的强韧化效果。此外,还介绍了几种典型的表面处理对高熵合金强韧化的影响。     

β钛合金的强化机理

β钛合金是超高强钛合金的理想选择,其强化取决于该合金具有的晶粒和亚晶粒尺寸以及第二相的性质、体积比、分布特征等微观组织结构因素.其具体的强化机制包括位错强化、固溶强化、细晶强化及第二相强化,综述了这4种强化机制及其相互之间的影响.     

强化固溶对含Sc超高强铝合金组织性能的影响

为了提高含Sc超高强Al-Zn-Cu-Mg-Zr合金的固溶程度,减少未溶结晶相的数量,用极差分析方法对强化固溶处理制度进行了优化.采用拉伸试验、金相和透射电镜分析、扫描电镜观察和能谱分析等方法研究了强化固溶对合金力学性能和组织的影响.结果表明,与常规固溶相比,强化固溶后合金的屈服强度和抗拉强度分别提高了28MPa和18MPa,合金的断口形貌呈现晶内韧窝与沿晶破裂的混合断裂,强化固溶后合金的力学性能有所改善,残余的第二相数量明显减少,η′析出相也更细小、弥散.     

放电等离子烧结制备AlCoCrFeNi高熵合金的组织演变与力学性能

采用放电等离子烧结方法(SPS)制备了AlCoCrFeNi高熵合金。通过差热分析、密度测试、X射线衍射、扫描电镜及力学性能测试,研究了SPS烧结温度对AlCoCrFeNi高熵合金的致密化行为、组织演变及力学性能影响。结果表明,随着SPS烧结温度的升高,材料的致密度与抗压缩强度明显提高。1200℃烧结后,AlCoCrFeNi高熵合金的致密度达到99.6%,抗压缩强度达到2195MPa,屈服强度达到1506MPa。在SPS烧结过程中,高熵合金从双相结构(BCC+B2)转变为三相结构(BCC+B2+FCC)。     

含BCC/B2共格结构多主元合金研究进展

引入共格析出相是强化合金的重要方式。近年来发现在BCC结构多主元合金中引入共格B2相可有效提升其力学性能,形成了一类重要的合金体系。本文综述了含BCC/B2共格结构多主元合金的研究现状,重点讨论这一系列新型合金在成分、组织形貌、结构稳定性以及力学性能等方面的特征,并指出此类合金在宽温域下强度较高、塑性因成分差异而不同的变化特点。目前,这类合金在高于500℃时的结构稳定性较差,无法满足工程应用的需求,而成分设计是解决此问题较为简单易行的方法。本文旨在为含BCC/B2共格结构多主元合金的设计提供参考。     

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。