多主元AlCoNiFeCrCu_x高熵合金的热处理工艺与性能研究

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人们对于合金的使用一直秉承着以单一元素或者化合物作为基体,并向其中加入其它少量元素进行强化的设计理念。直到台湾清华大学叶均蔚教授提出了“多主元高熵合金“的全新概念:在元素周期表中选取5到13种元素共同作为合金的基体元素,并保证每种元素的原子分数在5%到35%之间。该种合金设计理念开辟了合金研究的全新领域。由于高熵合金拥有诸如高熵效应、迟滞扩散效应、晶格扭曲效应以及鸡尾酒效应等不同于传统合金的特点,所以其具备高强度、耐腐蚀、耐高温、耐磨等诸多优异的使用性能,这就使其在理论研究和工业应用方面均具有极大的价值。之前研究的结果表明AlCoNiFeCrCux系高熵合金在铸态下具有许多优异的机械性能,但对时效态下的摩擦磨损及腐蚀性能方面的探究甚少。故本文对该系合金进行不同温度的时效处理,并通过改变Cu元素的含量来研究合金基体和性能的变化。实验采用真空电弧炉熔炼制备合金锭,对其微观结构、显微硬度、差热分析、阳极极化曲线、阻抗频谱、全浸腐蚀等进行研究。经分析表明,各合金都形成了简单面心立方固溶结构或是简单体心立方+面心立方固溶结构。AlCoNiFeCrCux系高熵合金中,随Cu含量的增加,体心结构向面心转变,面心相析出明显,随着Cu含量进一步增加,析出相由点状变为编织状,而后变为不规则状树枝晶态在晶界处析出,并且析出相变得粗大,形成了Cu偏聚区。时效温度的升高促进了合金中金属间化合物Al-Ni、Al-Cr等的形成,使合金固溶强化和析出强化作用明显,增加了合金的硬度与摩擦磨损性能。AlCoNiFeCrCux系高熵合金中,随时效温度的增加,硬度与摩擦磨损性能先升高后下降。4种合金中685℃时效态AlCoNiFeCr合金硬度最大(650HV),对偶式样选取SiC球时575℃时效态AlCoNiFeCrCu0.5合金摩擦系数最小(0.42)。 AlCoNiFeCrCux系多主元高熵合金腐蚀行为以点蚀为主, Cr、Ni与氧形成稳定的氧化物, Cl-离子的借氧去极化腐蚀,对腐蚀起到了阻碍作用,AlCoNiFeCrCux在3.5%NaCl溶液的抗腐蚀能力突出。全浸泡实验中时效态685℃AlCoNiFeCrCu0.5腐蚀缓慢,腐蚀形貌理想,耐蚀能力最好。结合特征晶体理论的思想模式,利用经典SGTE数据库,模拟了AlCoNiFeCrCux高熵合金的稳定晶体结构。得到的模拟计算值与实验结果一致。这证明特征晶体理论适合于AlCoNiFeCrCux模型,对未来高熵合金成分的开发有指导意义。
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