CoFeNiV(Mo,Nb)高熵合金的組織演變及力學(xué)性能研究.pdf

1、高熵合金通常由五種或五種以上元素組成，且每種元素的摩爾分?jǐn)?shù)在5～35％之間。這種新型的合金設(shè)計(jì)理念突破了傳統(tǒng)合金以一種或兩種元素為主的設(shè)計(jì)思路，拓寬了金屬材料的研究范圍。由于高熵合金的多主元效應(yīng)，其通常具有高強(qiáng)度、高硬度、優(yōu)異耐磨性、出色熱穩(wěn)定性等性能特點(diǎn)，使得高熵合金具有巨大的學(xué)術(shù)研究價值及工業(yè)應(yīng)用潛力。
　　本文根據(jù)固溶體特征及Hume-Rothery規(guī)則，基于原子半徑差δ、混合焓⊿Hmix及價電子濃度VEC三個參數(shù)，成功預(yù)測

2、出單相固溶體結(jié)構(gòu)高熵合金的形成規(guī)律。通過系統(tǒng)地研究幾十種具有代表性的高熵合金體系的晶體結(jié)構(gòu)與δ、⊿Hmix及VEC的關(guān)系，建立起單相固溶體結(jié)構(gòu)高熵合金的穩(wěn)定性判據(jù)，設(shè)計(jì)出具有單相FCC固溶體結(jié)構(gòu)的CoFeNi2V0.5合金。在此基礎(chǔ)上，依據(jù)d軌道能級模型，提出向其中加入d軌道能級Md值較高的Mo、Nb元素形成化合物強(qiáng)化相，以提高合金的綜合力學(xué)性能。借助同步輻射原位控伸、應(yīng)變場分布測量、TEM等先進(jìn)分析測試技術(shù)，系統(tǒng)地研究了具有優(yōu)異綜合力

3、學(xué)性能的CoFeNi2V0.5Mo0.2及CoFeNi2V0.5Nb0.2合金的微觀變形機(jī)制。此外，還通過熱處理實(shí)驗(yàn)，探究具有共晶組織的CoFeNi2V0.5Nb0.75合金的熱穩(wěn)定性。采用激光熔覆的方法將耐磨性最好的CoFeNi2V0.5Nb0.75及CoFeNi2V0.5Nb合金制備成高熵合金涂層，考察其對基體性能的提高。
　　主要得到以下結(jié)論:
　　(1)根據(jù)固溶體特征及Hume-Rothery規(guī)則，基于原子半徑差δ、

4、混合焓⊿Hmix及價電子濃度VEC三個參數(shù)成功地預(yù)測出單相固溶體結(jié)構(gòu)高熵合金的形成規(guī)律。發(fā)現(xiàn)當(dāng)合金體系的三個參數(shù)同時滿足條件:δ＜3.75％，-7.27kJ· mol-1＜⊿Hmix＜4kJ·mol-1以及VEC＞8時，單相FCC結(jié)構(gòu)的高熵合金能夠形成。當(dāng)三個參數(shù)同時滿足條件:δ＜3.75％，-7.27kJ·mol-1＜⊿Hmix＜4kJ·mol-1以及VEC＜6.87時，單相BCC結(jié)構(gòu)的高熵合金能夠形成。
　　(2)根據(jù)所建立的

5、純單相固溶體結(jié)構(gòu)高熵合金的預(yù)測模型，成功優(yōu)化出一種具有單相FCC固溶體結(jié)構(gòu)的CoFeNi2V0.5合金。在此基礎(chǔ)上，依據(jù)d軌道能級理論，選取Md值較大的Mo、Nb元素形成強(qiáng)化相，系統(tǒng)地研究Mo、Nb含量的變化對CoFeNi2V0.5合金組織性能的影響。發(fā)現(xiàn)隨著這兩種元素含量的增加，合金微觀組織的變化趨勢相同。均由單相FCC固溶體組織，轉(zhuǎn)變?yōu)閬喒簿?、完全共晶、及過共晶組織。
　　(3)優(yōu)化后的CoFeNi2V0.5Mo0.2合金具有

6、單相FCC固溶體結(jié)構(gòu)，并且顯示出較高的室溫拉伸強(qiáng)度528.1MPa，及優(yōu)異的延伸率72.8％。在該合金凝固的過程中，對金屬熔體施加電磁攪拌，發(fā)現(xiàn)合金的組織明顯細(xì)化，拉伸強(qiáng)度提高到547.0MPa，延伸率提高到82.1％。并且，CoFeNi2V0.5Mo0.2合金在-196～800℃的寬溫域范圍內(nèi)均顯示出良好的強(qiáng)塑性，變形過程中始終表現(xiàn)出均勻的塑性流變特性。
　　(4)借助應(yīng)變場分布測量實(shí)驗(yàn)，揭示了CoFeNi2V0.5Mo0.2高

7、熵合金的微觀變形機(jī)制。發(fā)現(xiàn)，高熵合金在變形過程中呈現(xiàn)交替分布的應(yīng)變場。分析表明，正是高熵合金內(nèi)部存在著較大晶格畸變程度的差異，才導(dǎo)致晶格間交替轉(zhuǎn)換的變形模式出現(xiàn)，從而有效緩解了應(yīng)變集中，釋放了晶格缺陷的局部應(yīng)變，推遲頸縮的發(fā)生，提高了合金的塑性。
　　(5)優(yōu)化后的CoFeNi2V0.5Nb0.2合金在很寬的溫度范圍內(nèi)(-196～700℃）均顯示出優(yōu)異的綜合性能。斷口附近的TEM分析表明，CoFeNi2V0.5Nb0.2合金在不同

8、溫度變形時的主要變形機(jī)制均為位錯面滑移。Taylor晶格、高密度的位錯墻（HDDWs）及Lomer-Cottrell鎖等復(fù)雜的位錯組態(tài)增加了位錯的運(yùn)動阻力，從而提高合金的強(qiáng)度。同時，這些復(fù)雜位錯的存在也增加了合金的應(yīng)變硬化能力，推遲了頸縮的發(fā)生，提高合金的塑性。
　　(6)所設(shè)計(jì)開發(fā)的CoFeNi2V0.5Nb0.75合金鑄態(tài)下顯示了完全的共晶組織及較高的硬度640.1HV，同時，表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性。800℃淬火處理后合金顯示了