纳米/超细晶CoNiFeAlTi系高熵合金及其复合材料的相形成与强化机制研究

【摘要】： 多主元高熵合金简称为高熵合金,通常被简单地定义为“由不少于四种主要元素组成且每种组成元素的原子百分比含量在5-35at.%的新型合金”。该新型合金的多主元特性使得合金系统产生高熵效应,以至于抑制形成金属间化合物等复杂相,反而形成简单的固溶体相。高熵合金通常表现出高强度、高硬度、优异的高温性能、耐腐蚀、高的热稳定性、优异的磁性能和优异的低温力学性能等。因此,高熵合金是一种潜力巨大的新型结构材料与功能材料。然而,关于高熵合金的设计准则、是否达到真正的高熵状态、相形成机制、相变规律、强化机制等,尚无定论和成熟的理论体系。本文采用机械合金化法(MA)和放电等离子烧结(SPS)制备块体纳米/超细晶CoNi FeAl Ti系高熵合金及其复合材料。系统地研究了CoNi FeAl Ti系高熵合金的机械合金化行为、相组成、微观组织、力学性能、相形成机制和强化机制,以及混合熵的作用。设计并深入研究了单相FCC结构CoNi FeAl0.3Cu0.7(Co25Ni25Fe25Al7.5Cu17.5)高熵合金的相形成机制与强化机制。此外,通过直接添加和原位自生法间接引入TiC增强相,以及机械合金化元素粉末制备基体合金粉末和直接采用已合金化的合金粉末为基体合金粉末,共四种方案制备了四种10vol.%TiC/CoNiFe Al0.4Ti0.6高熵合金基复合材料,随后系统地研究了它们的微观组织、相形成机制与强化机制。通过深入的研究与分析,主要的研究结果如下:(1)各组成元素完全合金化后,Co NiFeAl0.4Ti0.6高熵合金粉末由BCC主相、少量FCC相和微量非晶相三种相复合组成,并且在该纳米晶高熵合金粉末中形成了大量的位错、层错和少量的FCC结构孪晶等缺陷;通过SPS多场耦合制备的块体超细晶CoNi FeAl0.4Ti0.6高熵合金,相组成演变成有序FCC(L12)主相和相对较少的有序BCC(B2)相,且L12相含有高密度的多级晶内纳米析出相,其中一级纳米析出相为有序L12结构的(Ni,Co)3-(Ti,Al)基金属间化合物相;L12相的基体、一级析出相和二级析出相是“Cubic-Cubic-Cubic”的位向关系;同时,在部分L12相中存在少量的孪晶组织;固溶强化、晶界强化、孪晶晶界强化、位错强化和析出强化五种强化机制的共同作用,使得块体CoNi FeAl0.4Ti0.6高熵合金表现出超高的强度和硬度,其室温压缩屈服强度、抗压强度、断裂应变和维氏硬度分别为2613MPa、3104MPa、7%和761Hv,其中压缩屈服强度是目前报道的最高值。(2)设计了熵值从低到高的CoNiFe、CoNiFeAl0.4、CoNiFe Al0.4Ti0.6、CoNi FeAl0.4Ti0.6Cr0.5和CoNiFe Al0.4Ti0.6Cr0.5Cu0.5五种合金。在机械合金化阶段,熵值的高低并不影响各合金元素的机械合金化顺序;块体CoNi Fe中熵合金由单相无序FCC固溶体相和微量WC污染物组成;块体Co NiFeAl0.4高熵合金由无序FCC主相和少量无序BCC相复合组成;块体Co NiFeAl0.4Ti0.6Cr0.5和CoNi FeAl0.4Ti0.6Cr0.5Cu0.5两种高熵合金,均由晶格常数相近但成分不同的两种无序FCC相组成。显然,影响各高(中)熵合金相组成、相形成机制、相的晶体结构的关键因素并不是熵值的高低,而是原子尺寸差、原子对混合焓、元素本身的性质、各合金元素之间的互溶度等因素。(3)简单地增加熵值并不能获得单相高熵合金,即达到真正意义上的高熵状态的高熵合金;设计并制备了单相FCC结构Co25Ni25Fe25Al7.5Cu17.5高熵合金,该高熵合金形成无序的单相FCC固溶体相,主要是因为其组成元素之间大部分都表现出很高的互溶度;SPS烧结后的块体Co25Ni25Fe25Al7.5Cu17.5高熵合金平均晶粒大小为95nm,是由于达到真正的高熵状态后,合金系统的迟缓扩散效应变得更加明显,从而使得Co25Ni25Fe25Al7.5Cu17.5高熵合金表现出高的热稳定性并获得纳米晶;块体纳米晶Co25Ni25Fe25Al7.5Cu17.5高熵合金的压缩屈服强度高达1795MPa,维氏硬度454Hv,高于现有报道的所有FCC结构高熵合金;对其强化机制贡献大小的估算表明,晶界强化和位错强化是该单相FCC纳米晶高熵合金中两种决定性的强化机制。(4)直接加入和原位自生法间接引入TiC增强相,一方面可增加合金系统的热稳定性,使得四种不同方案制备的10vol.%Ti C/Co NiFe Al0.4Ti0.6复合材料块体的晶粒,都明显小于Co NiFeAl0.4Ti0.6高熵合金基体,并且都表现出纳米/超细晶双尺度结构;另外一方面,TiC增强相并不明显影响基体高熵合金的相形成机制与规律;当CoNiFe Al0.4Ti0.6高熵合金基体相制备方法相同时,原位自生法引入Ti C增强相会使得复合材料的晶粒更加细小;四种复合材料与基体性能差异,是受晶界强化影响为主及弥散强化影响为辅。

【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015

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