关键词： 高熵合金   多尺度计算   强韧化机制   变形行为  

摘要： 高熵合金因其优异的性能受到广泛关注,如高强度、高硬度、高韧性、高耐磨、高耐辐照、高耐腐蚀、高电阻、高耐热等,有望应用于核能、航天航空等重要领域和重大装备.高熵合金制备、组织结构以及性能表征等方面开展的实验研究表明其独特的性质依赖于高熵合金高熵效应、晶格畸变和扩散迟滞.在微观尺度以及宏观尺度,理论模型和数值模拟为研究高熵合金微观机理和力学特性提供了一种方法.建立从高熵合金的微观结构与变形机理到宏观独特力学性能的联系是一个多尺度的科学问题.最近,基于实验观察结果,采用多尺度的理论与模拟方法(第一性原理、分子动力学、离散位错动力学、晶体塑性有限元、微结构依赖的理论模型),研究了高熵合金层错能、弹性模量、扩散系数以及相稳定性,揭示了高熵合金变形与强韧化机制.论文综述多尺度计算在高熵合金力学性能和变形行为方面的研究进展,并对高熵合金在原位变形实验、高通量技术以及机器学习方面的研究进行简要展望.

关键词： 高熵合金   力学性能   强韧化   固溶强化   位错强化   细晶强化   第二相强化   表面强化   热机械处理   渗碳   渗氮   镀膜  

摘要： 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。

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： 高熵合金因为其许多传统合金所不具备的结构和性能特性,展现出了开发成为新一代结构材料的巨大潜力。但目前仍有许多关键问题亟待解决。例如,在高温结构应用方向,体心立方（BCC）高熵合金具有出色的高温流变抗力,但其成本高、抗氧化及耐腐蚀能力差等因素制约了其实际应用;面心立方（FCC）高熵合金韧、塑性优异,然而其屈服强度极低,同时高温软化效应明显。本课题旨在通过合金化成分设计,进一步调节、优化FCC类型高熵合金的组织结构,分析热机械加工手段的强韧化机理,从而获得高熵合金更优异的强度-塑性匹配。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CoFe2NiV0.5Mo0.2高熵合金作为基体成分。通过添加不同的合金化元素进行组织调控,筛选综合性能较好的合金成分进行热机械加工等进一步研究。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,(CoFe2NiV0.5Mo0.2)100-xTix系列合金微观组织由单相FCC结构（=0,2）转变为FCC结构固溶体+Fe2Ti型金属间化合物组织（2<≤10）。而Nb/Zr元素的加入均使得合金微观组织由单相FCC固溶体转变为亚共晶组织（≤8）再转变为完全共晶组织（=9）最后转变为过共晶组织。但生成的共晶组织中Laves相结构有所差别,完全共晶成分所需合金元素含量基本一致。其中,Nb合金化的高熵合金具有更好的综合力学性能,共晶和近共晶成分层片状组织致密,实现第二相强化、固溶强化和界面强化的有效结合。抗压强度和屈服强度较高,亚共晶成分合金均具有较高的延性。在物理性能方面,Nb的添加降低了合金的腐蚀电位,显著提高了合金的钝化能力。此外共晶高熵合金具有较好的高温相稳定性。通过添加C、B为代表的小原子半径间隙型合金化元素,我们发现,(CoFe2NiV0.5Mo0.2)100-xCx（=0～10）系合金的微观组织由单相FCC结构转变为（FCC基体+V8C7碳化物纤维）共晶组织（2<≤6）,再转变为（FCC基体+粗大V8C7+针状MoC）组织。随着C元素的添加,合金的屈服强度明显提升,塑性保持较好。其中x=6和8时该高熵合金的屈服强度和硬度可达到900MPa和270HV,综合力学性能优良。而(CoFe2NiV0.5Mo0.2)100-xBx（=0,2,4）系合金组织由FCC基体和硼化物析出构成。其中,x=2时析出物呈现致密的调幅形态,板条界面生长弯曲;x=4时析出物则分离断裂逐渐转变为颗粒状,同时尺寸发生细化。随着B元素的添加合金的压缩屈服强度逐渐增大,但强度提升并不明显。最后,本研究选取(CoFe2NiV0.5Mo0.2)98Ti2成分高熵合金（称为Ti2合金）进行均匀化、大变形轧制及不同温度退火等热机械加工,发现,均匀化处理后的Ti2合金与基体高熵合金（称为Ti0合金）在结构上均为单一FCC固溶体相。在化学上,Ti2合金的Ti、Mo元素分布更均匀,消除了由于熔点差异造成的枝晶和枝晶间的成分起伏。均匀化处理导致了Ti0及Ti2合金的抗拉强度下降、塑性提升,其中,Ti2的断裂塑性超过80%。而600℃～700℃的退火处理使Ti2合金发生部分再结晶,并在变形严重的区域首先生成等轴超细晶粒组织;800℃以上的退火处理则实现了其完全再结晶。随着退火温度的升高,退火后的合金呈现了晶粒尺寸变大、强度下降、塑性提升的趋势。

关键词： 高熵合金   粉末冶金   超细晶   纳米颗粒   强韧化机理  

摘要： 由于具有相对稳定的面心立方结构、优异的低温性能和抗氢脆性能,CoCrFeNiMn高熵合金近年来引起了广泛的关注,但是,其室温屈服强度较低,且采用传统的熔炼铸造制备方法时,存在着各组元熔点差值大、元素偏析严重、Mn元素易挥发等问题。针对上述问题,本论文采用固态的粉末冶金工艺制备出兼具超细晶和纳米颗粒的CoCrFeNiMn高熵合金,利用二者协同强韧化的设计思路来提高改善其力学性能。首先,本论文采用高能球磨和热机械固结制备CoCrFeNiMn高熵合金,突破了氧含量及挤压裂纹控制等关键技术问题。在此基础上的研究表明,对Co、Cr、Fe、Ni、Mn等粉末进行66 h的高能球磨可有效地实现元素的合金化和晶粒细化,并引入C和O,随后进行1000℃的热挤压,可实现粉末的全致密固结,并原位自生出富Cr的M23C6颗粒和（Cr,Mn）3O4颗粒,制备出兼具超细晶和纳米颗粒的块体CoCrFeNiMn高熵合金。进一步地,针对M23C6颗粒尺寸粗大的问题,本论文采用传统合金中的微合金化思路开展显微组织调控研究。结果表明,添加Nb抑制了粗大M23C6颗粒的产生,形成了细小的Nb C颗粒,其平均颗粒尺寸139 nm,且大部分位于晶界处。添加Ti则同时改变了M23C6颗粒和（Cr,Mn）3O4颗粒,生成了更细小的Ti O（C）颗粒,其平均颗粒尺寸57 nm,且颗粒呈随机分布。与此同时,对热挤压过程中晶粒长大驱动力和阻力的定量分析表明,纳米颗粒所提供的钉扎力为热挤压过程中抑制晶粒长大的主要阻力,添加Nb和Ti有效地增大了该阻力,从而细化了晶粒。此外,增大挤压时的变形量或者采用更细小的粉末,亦可产生类似于纳米颗粒的晶粒细化效果。针对粗晶材料中强化机理不适用于超细晶材料的问题,本论文在阐明超细晶和纳米颗粒强化机理交互作用的基础上,建立了适用于计算兼具超细晶和纳米颗粒的金属材料强化机理叠加的新模型。该模型表明,晶内纳米颗粒通过奥罗万机理强化材料,而晶界纳米颗粒则影响了晶界强化的霍尔佩奇系数,其影响取决于相界面释放位错的相对大小。此外,对塑性变形行为的研究结果表明,当超细晶CoCrFeNiMn高熵合金的晶粒细化到一定程度时,其低可动位错密度和高应变速率敏感因子的特点将导致材料的塑性变形行为产生显著的改变,出现了屈服降、吕德斯变形、加工硬化和颈缩等4个阶段。当晶粒进一步细化使其平均晶粒尺寸低于临界值,导致上屈服应力大于其能承受的最大流变应力时,材料将在屈服降后直接颈缩,不出现吕德斯变形和加工硬化,这将导致其延伸率出现急剧的下降。同时,对纳米颗粒的研究结果表明,晶界纳米颗粒是变形时的裂纹源,对塑性不利,而晶内纳米颗粒则可以钉扎位错,减少位错在晶界处的湮灭,从而改善材料的加工硬化能力。通过热处理引入的晶内纳米析出相可减少晶内颗粒的有效间距,更有效地减少位错的湮灭。在晶粒细化到合适的尺寸范围（在本论文中约为500 nm）的前提下,引入纳米析出相可以在进一步提高强度的同时,改善材料的加工硬化能力,从而使材料获得与更细小晶粒材料相当的高强度,以及更好的塑性。在上述研究的基础上,本论文基于多尺度异构的微结构设计理念,通过放电等离子烧结调整晶粒尺寸的分布和纳米颗粒的位置,进而引入背应力来优化力学性能。结果表明,在热挤压前使用放电离子烧结使材料的显微组织出现两个不同的区域,即富Ti O（C）纳米颗粒的超细晶区和无Ti O（C）纳米颗粒的粗晶区。该多尺度异构材料的屈服强度为1298 MPa,均匀延伸率为9.4%,断裂延伸率为13.1%,相比于无多尺度异构的CoCrFeNiMn高熵合金,其综合力学性能更为优异。分析表明,纳米颗粒提高了两个区域之间的杨氏模量差,其梯度分布还带来了额外的背应力,并增大了超细晶区对前应力的抵抗力。相比于无纳米颗粒的异构材料,含纳米颗粒的异构材料具有更高的背应力,进而提高了CoCrFeNiMn高熵合金综合力学性能。最后,本论文通过在超细晶内部引入纳米孪晶,进一步“细化”晶粒,从而促使CoCrFeNiMn高熵合金的屈服强度提高到超高水平,达到1507 MPa,为传统熔铸工艺制备的CoCrFeNiMn高熵合金屈服强度的4-5倍,超过晶粒尺寸仅为10 nm的纳米晶CoCrFeNiMn高熵合金的屈服强度。同时,该材料具有良好的塑性,均匀延伸率和断裂延伸率分别为4.7%和7.0%。分析表明,在该具有纳米孪晶和纳米颗粒的超细晶CoCrFeNiMn高熵合金中,纳米颗粒强化、晶界强化和孪晶界强化是其主要强化机理,其中,孪晶界将晶粒划分更小的区域,间接细化了晶粒,将霍尔佩奇公式中的晶粒尺寸修正为小区域的尺寸,可直接计算出晶界和孪晶界的共同强化效果。与此同时,纳米颗粒可钉扎位错,孪晶界可存储位错,并且贯穿位错的受限运动受到纳米颗粒和不同方向孪晶的抑制,三种机理的共同作用使该结构具有了

关键词： 高熵合金   氮合金化   搅拌摩擦加工   冷轧   退火   组织   力学性能  

摘要： 目前,被广泛研究的面心立方结构CoCrFeMnNi高熵合金虽然具有良好的塑性和优异的低温断裂性能,但其室温强度较低,从而极大地限制了其作为结构材料的应用。为此,本文以等原子比和非等原子比两种CoCrFeMnNi高熵合金为研究对象,采用氮合金化、搅拌摩擦加工（FSP）、冷轧及退火处理等方法进行固溶强化和细晶强化,研究高熵合金在不同加工条件下的组织演变规律、强韧化机制和探寻提高此类高熵合金强塑性的技术途径。通过对比研究FSP非等原子比CoCrFeMnNi高熵合金组织和力学性能发现:FSP使合金晶粒显著细化,其中加工区的平均晶粒尺寸为2.94μm,不连续动态再结晶是FSP过程中晶粒细化的主要机制。由于再结晶沿剪切变形晶粒附近形核,因此加工区再结晶组织仍保留形变剪切织构G（{001}<110>）。FSP可以显著提高非等原子比CoCrFeMnNi高熵合金显微硬度和拉伸性能,其中显微硬度为201 HV、屈服强度为336 MPa、抗拉强度为615 MPa和均匀延伸率为21.89%。通过对比研究氮合金化铸态和均匀态等原子比CoCrFeMnNi高熵合金组织和力学性能发现:氮合金化和未氮合金化的铸态高熵合金均存在明显的枝晶偏析,其中Fe、Co和Cr在枝晶内富集,而Mn和Ni在枝晶间富集。此外,氮合金化铸态高熵合金枝晶间区域还存在明显的氮原子富集。经均匀化处理后,所有元素都趋于均匀分布。由于氮原子的固溶强化效应,氮合金化显著提高铸态和均匀态CoCrFeMnNi高熵合金的力学性能。通过对比研究氮合金化冷轧和后续退火处理等原子比CoCrFeMnNi高熵合金组织和力学性能发现:未氮合金化高熵合金在冷轧过程中的组织特征以形变孪晶和剪切带为主,而氮合金化高熵合金表现出均匀分布的显微带特征。此外,冷轧态未氮合金化高熵合金的主要织构分量是G型和B型织构,而冷轧态氮合金化高熵合金的主要织构分量是G/B型织构。这可能是因为氮合金化增加了CoCrFeMnNi高熵合金的层错能,从而促进了冷轧过程中位错的滑移。在773-873 K退火时,未氮合金化高熵合金的形变孪晶发生部分湮没,而氮合金化高熵合金表现出较高的显微结构稳定性。随着退火温度的升高,未氮合金化和氮合金化高熵合金都发生了再结晶。氮原子的拖曳作用促进了退火过程中氮合金化高熵合金的晶粒细化。同时,在再结晶区域形成大量的Cr2N沉淀相。与冷轧态相比,在773-873 K退火氮合金化高熵合金的显微硬度和抗拉强度呈反常增加。这可归因于高密度位错区域中氮原子偏聚对位错运动的拖曳效应。在973 K退火后的氮合金化高熵合金表现出最佳的拉伸强度和延性组合,其中屈服强度、抗拉强度和延伸率分别达到872 MPa、1025 MPa和9.57%。这可用氮合金化引起的氮固溶强化、沉淀强化和细晶强化多种机制进行解释。通过对比研究FSP氮合金化等原子比CoCrFeMnNi高熵合金组织及力学性能发现:FSP可显著消除铸态枝晶结构,从而使成分均匀化。由于氮合金化提高了FSP中的动态再结晶形核率并延缓晶粒长大,导致加工区的晶粒比未氮合金化加工区晶粒显著细化。FSP氮合金化高熵合金的显微硬度和拉伸强度大幅度提升主要归因于氮固溶强化和细晶强化的共同作用,其中显微硬度、屈服强度,抗拉强度和均匀延伸率分别提升42%、19%、20%和15%。

关键词： 金属陶瓷   ZrO2晶须   高熵合金   组织结构   高温性能   摩擦磨损  

摘要： 高速切削刀具是提高生产效率和加工质量,降低能耗和加工成本,推动整个机械制造业升级的关键工具之一。作为切削刀具材料,Ti(C,N)基金属陶瓷拥有良好的红硬性、热稳定性与耐磨性,同时,抗粘附性好,对钢摩擦系数低,制成的各种可转位刀片适用于碳钢、合金钢等材料的高速精加工和半精加工。然而,Ti(C,N)基金属陶瓷的强韧性与高硬度难以同时兼顾,常常以牺牲强韧性为代价来满足切削加工要求。针对上述问题,本文提出采用热压烧结法制备晶须和高熵合金协同强韧化Ti(C,N)基金属陶瓷的新思路,开展ZrO2晶须和Al0.3CoCrFeNi高熵合金(HEA)制备及Ti(C,N)基金属陶瓷微观结构、力学性能和高温性能等研究,为研制兼具高硬度与良好强韧性的Ti(C,N)基金属陶瓷刀具奠定坚实的理论和应用基础。经烧结工艺和粘结相含量优化,研制出Ti(C,N)-WC-Mo2C-TaC-Ni/Co金属陶瓷。其中,当Ti(C,N)含量为70 wt.%,Ni/Co为10 wt.%时,相对密度、硬度、抗弯强度和断裂韧性分别达到99.1%、19.39 GPa、1488 MPa和7.84 MPa·m1/2;当Ti(C,N)含量为55 wt.%,Ni/Co为25 wt.%时,相对密度、硬度、抗弯强度和断裂韧性分别达到 99.39%、12.71 GPa、1674 MPa 和 8.99 MPa·m1/2。通过完善助熔剂种类、粉体摩尔比和烧结工艺,研制出单斜相棒状ZrO2晶须。晶须长约600～1000 nm,直径为50～100 nm,表面光滑,直晶率和完整度高。揭示出助熔剂法制备ZrO2晶须的生长机理,包括溶解-成核-生长三个过程:助熔剂首先形成过饱和溶液,接着ZrO2颗粒经溶解形成ZrO2晶核,大量溶解的晶核在液-固界面处再结晶,最终晶核沿着[011]方向生长形成ZrO2晶须。为提高强韧性,研制出ZrO2晶须改性Ti(C,N)基金属陶瓷。当晶须含量为7.5 wt.%时,其相对密度、抗弯强度、硬度和断裂韧性分别达到98.1%,1623 MPa,18.57 GPa和9.54 MPa·m1/2。揭示出室温时ZrO2晶须强韧化机理:晶须桥联和拔出,裂纹偏转、桥联和分支,相变增韧。揭示出Ni/Co为粘结相Ti(C,N)基金属陶瓷高温弱化机理:晶界软化、弹性模量降低、材料氧化及晶界滑移和空洞的形成;高温增强机理:晶须桥联、偏转、拔出和“晶界相”及抗氧化性的提高。揭示出高温磨损机理为粘结磨损。为增强高温硬度,研制出晶须和HEA协同强韧化Ti(C,N)基金属陶瓷。当温度为1000℃时,其硬度、抗弯强度、断裂韧性和弹性模量达到10.78 GPa、913 MPa、6.57 MPa·m1/2和196.7 GPa,所得高温综合性能最优。揭示出HEA为粘结相Ti(C,N)基金属陶瓷的高温弱化机理:晶界软化、弹性模量降低、材料氧化和晶界滑移;高温增强机理:金属陶瓷的高晶界强度,HEA粘结相的高温抗氧化性和位错滑移的阻碍,以及晶须的高温增强。揭示出高温磨损机理为粘结磨损。

关键词： 高熵合金   第二相强化   强化机制   力学性能   共格析出  

摘要： 高熵合金是由多种元素以等原子比或近等原子比合金化所形成的一类新型金属材料。不同于传统的以一元或二元为主的合金设计思想,高熵合金颠覆性的合金设计理念使得其具有独特的原子结构特征,因而呈现出许多优异的力学、物理及化学性能。但其力学性能还有需继续提高之处,FCC结构的高熵合金通常塑性较好但强度偏低,而BCC结构的高熵合金强度较高但塑性较小。第二相强韧化已经被应用在高熵合金中以改善其强韧性,目前已经开发了大量高性能第二相强韧化高熵合金。然而,由于高熵合金独特的结构和性能特点,其强韧化行为特点和机制与传统合金并不完全相同。从高熵合金第二相强韧化的研究现状出发,简要介绍了高熵合金中的第二相种类及其强韧化机理,并对高熵合金第二相强韧化的研究进行了简单的展望。

关键词： 高熵合金   相稳定性   细晶强化   固溶强化   沉淀强化   热机械处理  

摘要： 高熵合金摒弃了以单一元素为基体的合金设计理念,是一种以多种主要元素为特点、具有优异力学性能和功能特性的新型金属结构材料。相稳定性和强韧化是发展高强高韧高熵合金面临的首要基础科学问题。当前对高熵合金相稳定性的理解主要集中于多主元固溶体的相选择规律,而单相高熵合金的热力学稳定性尚不明确。针对高熵合金强韧化的研究也多局限于复制传统合金的强韧化手段,对高熵合金本身强韧化机制的理解仍有待深入。本文以Ni-Co-Cr-Fe基高熵合金为对象,采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、三维原子探针、X射线衍射及力学性能测试等方法,系统研究了面心立方结构(FCC)单相高熵合金的相稳定性,评价了高熵合金的细晶强化、固溶强化和沉淀强化效果,阐明了不同强化手段的内在机制,并综合不同强化机制研发了新型高强高韧的高熵合金。具体的研究内容和主要结论如下:(1)结合实验验证与计算相图模拟,分别评价了混合熵、热力学温度及混合焓对Ni-Co-Cr-Fe基高熵合金相稳定性的影响。结果表明,Ni-Co-Cr-Fe系单相高熵合金存在由3个成分自由度决定的单相区间;温度对合金相稳定性有至关重要的影响,当温度从900C下降至750C时,Ni Co Cr Fe高熵合金固溶体相由稳态变为亚稳态;混合焓的轻微变化将导致Ni Co Cr Fe高熵合金中有多种金属间化合物析出。综合分析表明,不同相吉布斯自由能的竞争作用是决定高熵合金相稳定性的关键因素。(2)揭示了NiCo Cr Fe单相高熵合金的细晶强化机制。NiCo Cr Fe高熵合金的屈服强度与晶粒尺寸的平方根倒数成正比,得到了其霍尔-佩奇系数K=412MPa·μm。随着晶粒尺寸的减小,NiCo Cr Fe高熵合金的塑性先增加后减小。晶粒尺寸通过影响合金变形时位错运动模式及位错结构的演化而影响高熵合金的加工硬化行为和塑性。(3)明确了NiCo Cr Fe单相高熵合金的固溶强化机制。一定晶粒尺寸下,固溶元素的添加不仅提高了NiCo Cr Fe高熵合金的强度,同时也增加了合金的塑性。采用稀溶液固溶强化模型分析了高熵合金的固溶强化效应,结果表明高熵合金中固溶强化效果优于传统稀溶液合金,这主要是因为高熵合金的多种主要元素导致短程有序结构的存在。固溶元素的加入通过改变晶格摩擦应力、调整合金层错能及促进短程有序结构的形成等方式提高了高熵合金的加工硬化能力,最终在提高合金强度的同时也提高合金的塑性。(4)提出了基于价电子浓度的高熵合金沉淀相设计准则。以高熵合金的整体价电子浓度为标准,当其值大于8.4且固溶元素主要为VB族元素时,合金容易析出γ"相;当其值介于8.4和8之间且主要固溶元素为Ti和Al时,合金倾向于析出γ′相。基于上述准则设计了性能优异的γ′强化型NiCo Cr Fe TiAl高熵合金和γ"相强化型NiCo Cr Fe Nb高熵合金。(5)探索了不同沉淀相的强化机制。γ′相以有序强化机制为主导。Ti/Al比是调控高熵合金中γ′相析出行为及强化效果的关键因素。在Ti、Al总摩尔含量不变时,Ti/Al比越高,γ′相的体积分数越大,界面错配度越大,反相畴界能越高,γ′相的强化效果越好,合金的强度越高。γ"相的强化机制以有序强化和共格强化共同主导。相同体积分数的γ"相具有比γ′相更好的强化效果,其原因在于γ"相具有更大的晶格错配度和更高的反相畴界能。(6)通过调控“冷轧-再结晶-沉淀析出”三者的动力学关系获得了多相多层级结构,评估了多相多层级结构高熵合金的力学性能。多相多层级结构良好地结合了细晶强化、固溶强化、沉淀强化、应变强化以及梯度结构强化等机制,获得了良好的综合力学性能。NiCo Cr Fe TiAl高熵合金经冷轧70%后再800C热处理30～60 min后,获得屈服强度高于1.2 GPa,拉伸强度1.5 GPa和拉伸塑性高于15%的优异综合力学性能。

关键词： 难熔高熵合金   强度   塑性   第一性原理计算   固溶强化  

摘要： 高熵合金是本世纪初提出的一种全新的合金设计理念,其成分特点是合金多组元且所有组成元素的比例相等或相近。高熵合金独特的成分特点使其拥有高混合熵效应,并且衍生出微观组织稳定性高和缓慢扩散等独特性能。借鉴高熵合金设计理念,由高熔点元素组成的难熔高熵合金有望提高合金的使用温度,因而受到研究者的广泛关注。目前难熔高熵合金的研究尚处于起步阶段,大量科学问题亟待解决。首先,己有的难熔高熵合金大量使用昂贵且密度高的元素,使其成本高昂且密度高,非常不利于工业应用;其次,使用计算模拟手段准确预测难熔高熵合金热物性,并阐明合金相形成规律与力学性能的关联的相关研究还相当匮乏;最后,现有的难熔高熵合金大多不具备拉伸塑性,开发具有拉伸塑性的难熔高熵合金并研究其强韧化方法与机理对未来难熔高熵合金的发展具有重要意义。本文以Ti-Zr-Nb系高熵合金为对象,系统研究合金的组织结构与强化机理。通过建立可靠的随机固溶体模型,利用第一性原理计算合金的相结构、热力学和弹性性质,为新型难熔高熵合金的设计与开发提供理论指导。制备具有高比强度的Ti-Zr-Nb-Mo-V高熵合金系与具有高强度高拉伸塑性的Ti-Zr-Nb-Hf高熵合金系,并对其强化与韧塑化机理展开研究。研究工作主要包括以下内容:本文构建了包含16个原子的特殊准随机结构模型(specialquasirandom structures,SQS),该模型可以很好地模拟四元随机固溶体结构。使用声子法计算了 TaNbMoW和TiZrNbHf四元系高熵合金的热力学性质和弹性性能。计算得到的TiZrNbHf难熔高熵合金的泊松比为0.315,表明该合金具有优异的塑性。铸态的TiZrNbHf高熵合金具有879 MPa的屈服强度和16.5%的拉伸塑性,验证了计算结果的有效性。原位拉伸同步辐射实验结果表明,合金变形过程中没有相变发生,且实验测得的弹性模量与第一性原理计算结果吻合地很好。系统研究了 Mo和V元素合金化对TiZrNbMoV合金系组织结构和压缩性能的影响规律。Mo对合金系的强化效果非常显著,但过量的Mo添加会导致合金组织转变并且降低合金的热稳定性。适量Mo和V的组合可以同时得到优异的比强度和压缩塑性,其中TiZrNbMoV合金具有最高的屈服强度1800 MPa,而TiZrNbMo0.3V0.3具有最优异的综合性能,屈服强度为1312MPa,塑性变形量大于50%。TiZrNbMo0.3V0.3合金的比强度达到了 198MPa·m3/kg,该合金在实现了难熔高熵合金轻量化的同时,还实现了合金的塑韧化。在TiZrNbHf难熔高熵合金的基础上引入O元素进行强化,实现了在不降低塑性的前提下显著提高合金的强度,其中O含量为2.0 at.%的合金表现出高达36500 MPa%的强塑积,超过绝大多数传统合金和己有的难熔高熵合金。原位拉伸同步辐射实验表明,在变形过程中,合金未发生相变,高的强塑积是由O原子的间隙强化造成的。此外,探索了 O对该体系高熵合金晶粒生长动力力学的影响,多主元混合使TiZrNbHf高熵合金的晶粒生长系数低于BCC结构的纯金属,而O的添加进一步了降低合金的晶粒生长速率。对中温热稳定性的研究发现,O的添加会在合金基体中析出HCP相,导致合金塑性下降。系统研究了 A1合金化对TiZrNbHf难熔高熵合金组织结构和力学性能的影响。经过80%冷轧并且在1273 K固溶处理0.5 h,A1添加到12%的合金均形成了单相BCC组织。经过873 K时效100h后,A1含量低于7%的合金保持单相BCC组织,而A1含量高于7%时,在BCC基体上析出富含(Al,Zr,Hf)的六方相。AIMD模拟的结果表明:Al的含量升高会导致合金液态结构中形成Al-Zr短程序,同时降低合金中A1和Zr的扩散系数,从而导致了凝固过程中化合物形成的趋势升高。Al的添加在显著提高合金强度的同时会降低合金的塑性。合金系的屈服强度随着A1的含量线性增大。Al含量低于7%时合金的延伸率缓慢下降,高于7%时急剧下降。在TiZrNbHfAl系高熵合金中原子尺寸效应和(s+d)电子数差均对固溶强化起到重要作用。含7%的合金在塑性变形过程中只形成了位错胞,而不含A1和含5%Al的合金则形成了位错显微带组织,这种位错结构使合金具有更高的塑性变形能力。含5%Al的合金表现出优异的强塑积,并且在873 K下依然保持优异的热稳定性,为未来开发作为高温结构材料的难熔高熵合金提供了一个优秀的原型合金。

关键词： 高熵合金   强韧化   变形行为与机理  

摘要： 高熵合金是近年来涌现出的一种新型金属材料。不同于传统合金设计以1种或2种元素为主添加其它合金元素为辅的方案,高熵合金由多种元素以等原子比或近等原子比的成分组成,具有独特的原子结构特征,因而呈现出诸多不同于传统合金的独特性能。自高熵合金被首次报道以来,目前已经研发出了一系列的高熵合金体系,在物理、化学、热力学性能方面显示出独有的优势,尤其在力学行为方面显示出高强、高硬、耐磨、耐蚀、抗高温软化等优异的性能,在国际学术界引起了广泛的关注和研究兴趣,已经成为新的研究热点。本文从高熵合金变形机理研究存在的挑战出发,主要综述了高熵合金的力学性能和变形行为特点,已经提出的强韧化方案及相关机理,并对未来高熵合金变形行为的研究进行了简单展望。