关键词： 高熵合金   强韧化   合金元素   成分设计   热机械加工  

摘要： 高熵合金因其高强度,高塑性,良好热稳定性、耐磨性、耐腐蚀性等优秀性能,近些年成为研究人员的一个研究热点,并经过研究人员的不断努力,取得了很多重大的成功,为材料领域的取得了重大的突破,但目前仍有许多关键问题亟待解决。例如,单相体心立方（BCC）的高熵合金具有出色的屈服强度,强度表现出色,但其塑性差,流动性差等因素在实际生活中并没有得到广泛的应用;面心立方（FCC）高熵合金韧性、塑性方面表现优异,但其强度一般都处于比较低的水平。本课题目标是通过元素掺杂成分设计,以一种FCC高熵合金为基体,设计出塑形和强度皆能符合使用需要的高强度高塑性高熵合金,并通过机械加工和热处理对合金的组织结构和力学性能进行进一步的改善。本课题在前人成分设计的基础上,选择具有单一FCC相结构的Al0.1Co Cr Fe Ni高熵合金作为基体成分。通过添加不同的大原子半径元素和小原子半径元素进行成分改性,研究其组织性能变化,并且分别挑选了获得的最佳力学性能的合金成分进行机械加工和热处理。通过添加Ti、Nb、Zr为代表的大原子半径置换型合金化元素,我们发现,Al0.1CoCrFeNiTix系列合金微观组织由单相FCC结构（=0,0.1）转变为FCC结构固溶体+BCC结构组织（0.1<≤0.4）。随着Ti含量的增加,合金的强度提升,塑性有一定程度的下降。Ti01合金有着最佳的综合拉伸性能,其拉伸屈服强度为630MPa,同时其断裂时的延伸率达到了20%。Nb元素的加入均使得合金微观组织是由初始的单相FCC固溶体到亚共晶组织再到完全共晶组织最后转变为过共晶组织一个过程。在生成的共晶组织中出现了Fe2Nb型的Laves相。其中,Nb01综合性能最好,抗拉强度为620MPa,断裂时的延伸率为27%。加入Zr元素之后,合金逐渐从亚共晶结构向共晶结构转变（Zr02、Zr03）.加入少量Zr元素之后,Zr01、Zr02合金的强度有一定程度增强,其中Zr02合金的屈服强度达到了750MPa,同时,合金塑性保持十分良好,压缩率达到了50%以上,当Zr元素的含量继续增加时,Zr03、Zr04合金的强度有显著的上升,塑性有所下降,Zr03合金的屈服强度约了1000MPa,压缩变形率为34%随着C元素的添加,合金的屈服强度明显提升,C01合金的抗拉强度达到了600MPa,同时塑性依旧保持良好,伸长率达到了45%。C02合金的抗拉强度达到了790MPa,塑性有一定的下降,伸长率为22%。Al0.1CoCrFeNiC0.1在轧制后强度巨幅上升,塑性变现不好,不同温度下的退火改善了合金的塑性,并且合金的强度有一定程度的保持,其中800℃温度下的退火,合金的性能表现良好,抗拉强度为1100MPa,伸长率为12%;1200℃温度下退火,塑性提升的十分明显,伸长率达到了32%,抗拉强度为680MPa。Al0.1CoCrFeNiNiTi0.1经过冷轧、退火处理后,还生成了新的金属间化合物σ相,退火样品中组织发生了剧烈形变,并在剪切带附近首先发生局部再结晶,随着温度升高,样品中的再结晶程度也在不断升高,直至显示出了完全再结晶的等轴晶粒。同时退火过程中,合金中出现了大量的退火孪晶。经过量轧制之后,Al0.1CoCrFeNiNiTi0.1合金的强度有了巨幅提升,塑性的损失十分明显在600℃下,合金的抗拉强度反而有了小幅度的增加。随着退火温度升高,合金强度下降,塑性明显改善。AN-1200合金的抗拉强度为900MPa,断裂延伸率为40%以上。Al0.1CoCrFeNiNb0.1合金经过轧制和热处理之后的组织并没有明显变化,无新相的生成,组织稳定性良好,经过不同温度退火处理之后,在低温时,合金强度和塑性变化很小,随着温度的升高,合金的强度有所下降,塑性得到了改善。AN-1000合金的抗拉强度达到了700MPa,断裂延伸率达到了20%.

关键词： 高熵合金   异构结构   力学性能  

摘要： 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。

关键词： 高熵合金   强韧化   变形机制  

摘要： 高熵合金是近年来出现的一种全新的合金设计理念,该类合金通常由4种以上的合金元素以等原子比或近等原子构成,各元素间没有"溶质"与"溶剂"的区分,原子间的交互作用强烈,使其具有很多特殊的物理、化学及力学性能。但与传统合金类似,高熵合金也存在强度与塑性不容易匹配的难题——fcc结构高熵合金的塑性较好而强度不足,bcc结构高熵合金强度高但塑性差。因此有关高熵合金变形机制的研究及其强韧化途径的探索仍是高熵合金领域的研究重点。综述了第一性原理计算、分子动力学模拟、原位力学变形实验和晶体塑性有限元模拟等4种研究高熵合金强韧化机理的方法,介绍了细晶强化、第二相强化等常用强韧化方法在高熵合金中的应用,论述了形变强化法、热处理工艺等对高熵合金的强韧化效果,最后,从理论研究和工程应用两方面对高熵合金强韧化的研究进行了展望。

关键词： 高熵合金   高熵效应   强韧化机制   位错   变形  

摘要： 高熵合金由于其独特的多主元元素组成,具有很多超越传统合金的性能,包括良好的低温强韧性和高温强度、结构稳定性等,是未来合金研发的重要方向。总结了近10年来在高熵合金强韧化机制方面的研究进展,列举了如位错强化、变形诱导孪晶(twin induced plasticity,TWIP)强化、变形诱导相变(transformation induced plasticity,TRIP)强化、细晶强化、沉淀强化、固溶强化等机制的典型应用范例,分别评述了这些强韧化机制的潜力和局限,如前3种机制单独应用时强韧化效果有限,后3种机制提高韧性效果有限。最后探讨了高熵合金强韧化研究的未来重点方向,即深入认识影响这些机制的起源,例如层错能对TWIP和TRIP机制的影响;并联合应用多种强韧化机制,以达到优异的综合性能。

关键词： 热处理   增材制造   原位热处理   高熵合金   力学性能  

摘要： AlxCoCrFeNi系高熵合金因其优异物理化学性能,使其成为研究最早、最广泛的一类高熵合金。作为结构合金,强韧性的平衡是重点。但由于高熵效应,合金通常具有简单的相结构,强韧性难以达到平衡:单相FCC合金通常强度低塑性高,单相BCC合金则相反。为此,双相FCC+BCC合金的研究成为平衡合金强韧性的研究热点。本文旨在采用激光增材制造快速制备具有高强高韧性能的AlxCoCrFeNi系高熵合金。通过元素调控、工艺调控和后处理强化等方式,调控合金相比例、晶粒尺寸及形态,研究合金的组织性能变化以及合适的强化方式,实现高熵合金的强韧性平衡并探索其强化机制。具体研究内容及结果如下:（1）对合金元素成分进行调控,发现随着Al含量升高,合金相成分由FCC（x=0～0.3）变为FCC+BCC（x=0.6～0.9）,最后转变为BCC（x=1.0）,合金的硬度和强度随之提升,塑性下降。组织发生柱状晶-枝晶-等轴晶-等轴枝晶的变化。x=0,0.3,0.6三种合金的拉伸性能显示,Al0.6CoCrFeNi高熵合金因其合适的双相占比,从而实现合金强韧化的结合,具有900Mpa的拉伸强度和25%的延展率。（2）通过改变扫描时间和输入功率,发现激光增材制造技术特有的原位热处理过程会引起组织由树枝晶向柱状晶演变。条件为500s以上的循环加热时间和630℃左右的循环高温。在此环境下,晶界聚集、晶粒长大。组织变化后,合金的性能由609MPa的屈服强度和23.71%延展率（树枝晶）变为500MPa屈服强度和25.35%的延展率（柱状晶）。FCC相的增加和晶粒的粗化是DED-Al0.6CoCrFeNi合金塑性提高而强度降低的主要原因。（3）对两种组织进行700℃、900℃、1000℃/4h热处理,发现随着温度的升高,两种合金组织的强度先升高后下降,塑性的变化则相反。主要区别在于700℃热处理后,树枝晶内析出硬脆相σ,延伸率下降至9.5%,屈服强度提高至690MPa。而柱状晶的屈服强度提高至815MPa,延伸率保持在22.08%,其强韧化机理在于位错切割析出的纳米B2相提高合金的强度,σ相的缺席和大体积占比的FCC保持合金塑性。原位热处理+700℃/4h的双热处理方式能够有效提高合金的强韧性。

关键词： 铝基复合材料   纳米晶高熵合金颗粒   微观组织   强韧化机制   混杂增强  

摘要： 中、高体积分数的Si C颗粒增强铝基复合材料具有尺寸稳定性好、高比强度、高比刚度和耐磨等特性,在国防装备、航天航空及精密仪器等领域应用广泛。但由于Si C颗粒与铝基体的化学和物理性质差异大,造成此类复合材料的界面结合弱、塑性低和加工难等问题。合理地选择增强体并获得理想的界面结合是提升复合材料综合性能的重要途径。高熵合金(High-entopy alloys,HEA)因其优异的力学性能,且能与金属基体形成良好的界面结合形式,成为理想的增强体候选材料。本文以纳米晶高熵合金(Nanocrystalline high-entopy alloys,NHEA)颗粒作为铝基复合材料新型增强体为研究重点。首先研究HEA颗粒类型、体积分数、界面厚度和颗粒分布等方面对铝基复合材料的组织与力学性能的影响,制备出高性能的NHEA颗粒增强铝基复合材料,并阐明NHEA颗粒增强铝基复合材料的强韧化机制;在此基础上,对比研究NHEA颗粒与Si C颗粒对复合材料性能的影响,并制备出NHEA和Si C颗粒混杂增强的铝基复合材料。主要研究结果如下:(1)对粉末冶金制备得到的不同高熵合金颗粒类型(雾化粉末与球磨粉末)、不同颗粒体积分数(0～30%)、不同界面厚度(100 nm～1μm)的HEA颗粒增强2024铝基复合材料进行了力学性能对比。结果表明,当颗粒体积分数不超过15%时,界面厚度为～100 nm的NHEA颗粒增强铝基复合材料具有更好的力学性能。其中,当颗粒体积分数为7.5%时,复合材料的拉伸屈服强度为419 MPa,断裂应变为8.0%,优于目前已报道的HEA颗粒增强铝基复合材料的力学性能。(2)通过调控球磨时间,辅以热压和热挤压工艺,在复合材料内构筑出三种典型的NHEA颗粒分布:颗粒团聚型、均匀分布型和带状组织型。研究发现,颗粒团聚型复合材料的力学性能最差;均匀分布型复合材料的断裂应变(7.1%)最佳;含有高比例(45vol.%)带状组织的复合材料具有最佳的拉伸屈服强度(464.9 MPa),但其断裂应变较低(2.2%),而含有适当比例(19 vol.%)带状组织的复合材料则兼具优异的屈服强度(445.2MPa)与断裂应变(5.4%)。因此,通过调节颗粒分布和带状组织的比例可实现对NHEA颗粒增强复合材料强度和塑性的调控。(3)增强体与基体界面附近的微区是SiC颗粒增强复合材料和NHEA颗粒增强2024铝复合材料屈服强度和塑性存在差异的主要原因。由于Si C/Al界面处有更高密度的热错配位错,Si C颗粒比NHEA颗粒具有更好的强化效果。NHEA颗粒增强复合材料比Si C颗粒增强复合材料具有更好的塑性,归因于高强韧的NHEA颗粒和NHEA颗粒与基体的低错配度界面对裂纹扩展产生的钝化作用(提高了复合材料的损伤容限)。此外,NHEA颗粒增强复合材料比SiC颗粒增强复合材料具有更好的可加工性。(4)通过优化组元(基体和增强体组合)和固溶时间(1～4 h),研制出高强耐磨的NHEA颗粒和Si C颗粒混杂增强7075铝基复合材料。对比相同颗粒体积分数(45 vol.%)的Si C颗粒增强7075铝基复合材料,混杂增强复合材料表现出更好的抗拉强度(712 MPa)、塑性和耐磨性。围绕NHEA颗粒形成了低位错密度的塑性微区,显著地降低了附近Si C颗粒的破裂概率,提高了复合材料的强度,是复合材料强度和耐磨性提高的原因。NHEA颗粒对裂纹扩展的阻碍作用,提高了断裂吸收功,是复合材料塑性提高主要原因。

关键词： 高熵合金   析出行为   热稳定性   力学性能   析出强化  

摘要： 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,因其独特的结构在国内外获得广泛的关注。单相面心立方型高熵合金具有优异的韧塑性,但其屈服强度不足,限制了其应用。析出强化是提高高熵合金屈服强度的一种非常有效的机制,细小且与基体共格或半共格的高密度L12相是析出强化效果提升的关键。L12析出相的高温热稳定性对高熵合金工程应用有重要意义,但目前影响析出相热稳定性的内在机制尚不清楚。此外,目前报道的析出强化型高熵合金体系的母合金主要为等原子比TWIP型合金,而TRIP型母合金对于高熵合金的析出行为及强化与塑性变形机制的影响尚不清楚。针对以上问题,本课题设计制备了（Co CrxNi）94Al3Ti3和(Co35Cr25Fe40-xNix)94Al3Ti3合金,系统研究了析出相演化过程、合金元素扩散行为、拉伸性能、塑性变形行为,揭示了析出相的粗化机制和合金的强韧化机理。本论文首先研究了L12相析出动力学的影响因素,由于Cr元素在L12相中的溶解度很低,设计了具有不同Cr含量的L12纳米颗粒强化（Co CrxNi）94Al3Ti3（x=0.1、0.2和0.4）合金来调查Cr元素对高熵合金析出相热稳定性的影响。结果表明,随着Cr含量的增加,L12相与FCC相之间的Cr浓度梯度明显升高,750℃时效处理时,L12纳米相的粗化速率从1.84×10-28 m3/s降低到3.66×10-29 m3/s,Cr元素抑制了析出相的粗化。高Cr含量合金在较宽时效时间内硬度较高,抑制了硬度的过时效退化。其次研究了TRIP型母合金对于高熵合金的析出行为及强化与塑性变形机制的影响,由于Ni元素显著影响面心立方高熵合金的稳定性,通过调节Ni元素含量研究Ti、Al添加对于TRIP-Co35Cr25Fe40-xNix（x=5和14）合金的析出行为及强塑性机制的影响。结果表明,800℃时效处理时,(Co35Cr25Fe35Ni5)94Al3Ti3合金仅形成了L21-Heusler相,(Co35Cr25Fe26Ni14)94Al3Ti3合金形成了Heusler相和L12相。(Co35Cr25Fe26Ni14)94Al3Ti3合金的屈服强度大幅度提高。(Co35Cr25Fe35Ni5)94Al3Ti3和(Co35Cr25Fe26Ni14)94Al3Ti3合金在拉伸过程中没有发生马氏体相变,分别在变形组织中观察到形变孪晶和层错。随着时效时间的增加,Heusler相颗粒的生长导致位错穿过晶界的难度增加,在晶界析出相附近的位错堆积导致应力集中,使得(Co35Cr25Fe40-xNix)94Al3Ti3合金塑性下降。进一步根据“位错绕过障碍物机制（Orowan机制）”和“位错切割粒子机制”两种机制计算了不同析出相对(Co35Cr25Fe40-xNix)94Al3Ti3合金屈服强度的贡献。其中Heusler相对合金的屈服强度增量为44 MPa,而L12相对合金屈服强度增量为219 MPa。L12相对屈服强度的贡献要远高于Heusler相。

关键词： 金属材料   高熵合金   强韧化   双相组织   魏氏体板条  

摘要： 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sb=2.08 GPa,压缩应变e=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。