基于短程序團(tuán)簇模型的Al-Ni-CO-FE-Cr多主元固溶體合金成分設(shè)計及其力學(xué)性能.pdf

1、多主元固溶體合金，也稱高熵合金，是以多個元素（通常五元及以上）同為主元素的一類新型合金，由于組成元素為等摩爾或近等摩爾比例添加，使得合金的熱力學(xué)混合熵遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)合金，從而易于形成具有簡單結(jié)構(gòu)的固溶體相。為區(qū)別于傳統(tǒng)固溶體合金，將這類多個元素共同為基的合金統(tǒng)稱為多主元固溶體。這類合金具有特殊的性能，如高的強(qiáng)度和硬度、高溫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、以及優(yōu)異的耐磨、耐蝕和抗氧化性能等，有望發(fā)展成為適于極端環(huán)境中的新型高性能工程用合金材料，是目前研究的熱點。

2、盡管等摩爾成分設(shè)計是獲取多主元固溶體的最簡單方法，但并非必要條件。研究表明，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和性能主要取決于元素間化學(xué)近程相互作用，但相關(guān)研究受到了短程序結(jié)構(gòu)模型缺失的制約，從而影響成分和性能優(yōu)化。
　　近年來，我們發(fā)展出適于描述固溶體短程序結(jié)構(gòu)的“團(tuán)簇加連接原子”模型，揭示出優(yōu)質(zhì)固溶體合金具有穩(wěn)定的局域結(jié)構(gòu)單元，即特定的第一近鄰團(tuán)簇和次近鄰連接原子。從而給出團(tuán)簇成分式，為[團(tuán)簇]（連接原子）x，其中x為連接原子的個數(shù);在體心立方BC

3、C結(jié)構(gòu)中，最近鄰團(tuán)簇為配位數(shù)CN14的多面體。因此，本工作以Al-Ni-Co-Fe-Cr五主元合金為研究對象，根據(jù)“團(tuán)簇加連接原子”結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行成分設(shè)計。為研究Al含量變化對合金結(jié)構(gòu)的影響，設(shè)計成分式Alx[Ni1/4Co1/4Fe1/4Cr1/4]16-x(系列R1)，并確定基礎(chǔ)團(tuán)簇成分式[Al-(Ni1/4Co1/4Fe1/4Cr1/4)14]Al1;在此基礎(chǔ)上改變過渡金屬元素Ni、Co、 Fe和Cr的比例，得到[Al-(Ni1/(

4、1+x+y+z)Cox/(1+x+y+z)Fey/(1+x+y+z)Crz/(1+x+y+z））14]Al1(系列R2)和[Al-(Nix/(1+x)Co1/(1+x))8(Fey/(1+y)Cr1/(1+y))6]Al1(系列R3)合金，并對其進(jìn)行系列微觀組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能測試，以期獲得到高性能多主元合金，并探索團(tuán)簇結(jié)構(gòu)模型在多主元固溶體合金中的適用性。
　　在高純氬氣的保護(hù)下，采用電弧熔煉和銅模吸鑄快冷技術(shù)制備φ6mm合金樣品

5、，采用X射線衍射、光學(xué)顯微觀察、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、電子探針等手段鑒別合金微觀結(jié)構(gòu)和組織形貌，利用維氏硬度儀、MTS萬能試驗機(jī)測試合金的力學(xué)性能。主要結(jié)論如下:
　　(1)對系列R1合金Alx[Ni1/4Co1/4Fe1/4Cr1/4]16-x研究結(jié)果表明，吸鑄態(tài)系列合金的結(jié)構(gòu)隨Al含量x增加發(fā)生變化:Al含量x≤1.5時，合金表現(xiàn)為單一面心立方FCC結(jié)構(gòu)，當(dāng)x≥2.5，合金表現(xiàn)為BCC結(jié)構(gòu)，當(dāng)1.5＜x＜2.5，合金

6、為(FCC+BCC)雙相結(jié)構(gòu)。其中，團(tuán)簇成分式合金[Al-(Ni1/4Co1/4Fe1/4Cr1/4)14]Al1(Al12.5Ni21.875Co21.875Fe21.875Cr21.875 at.％)位于FCC固溶體形成的上限處，其組織主體表現(xiàn)為FCC的樹枝晶，晶間區(qū)域為少量BCC相。表明選取團(tuán)簇成分式[Al-M14]Al1(M=Ni1/4Co1/4Fe1/4Cr1/4)作為基礎(chǔ)團(tuán)簇式是合理的。
　　(2)在系列R2合金[Al

7、-M14]Al1(M=Ni，Co，F(xiàn)e，Cr)中，改變過渡金屬元素M的之間的比例，系列合金的結(jié)構(gòu)也會發(fā)生改變，即隨合金價電子濃度VEC增加，合金逐漸從(BCC/B2)→(BCC+FCC)雙相→單一FCC固溶體轉(zhuǎn)變。力學(xué)性能結(jié)果表明BCC/B2結(jié)構(gòu)的[Al-(Ni1/5Co1/5Fe1/5Cr2/5)14]Al1(Al12.5Ni17.5Co17.5Fe17.5Cr35 at.％)合金具有最高的維氏硬度和壓縮屈服強(qiáng)度，分別為HV=626，

8、σy=1791MPa; FCC合金[Al-(Ni4Co4Fe3Cr3)]Al1(Al12.5Ni25Co25Fe18.75Cr18.75 at.％)表現(xiàn)出良好的拉伸塑性，抗拉強(qiáng)度σb=774MPa，斷裂伸長率δ=35.6％。
　　(3)在系列R3[Al-(Nix/(1+x)Co1/(1+x))8(Fey/(1+y)Cr1/(1+y))6]Al1中，固定Ni+Co=8和Fe+Cr=6不變，但改變Ni/Co和Fe/Cr含量，以研究系列

9、合金結(jié)構(gòu)與性能的變化。研究表明，相比于系列R1和R2，在VEC相近條件下，該系列合金表現(xiàn)出更高的壓縮屈服強(qiáng)度，表明過渡金屬元素Ni、Co、Fe和Cr對多主元合金的結(jié)構(gòu)和性能作用不完全相同，應(yīng)將其分開考慮。
　　(4)根據(jù)系列R1 Alx[Ni1/4Co1/4Fe1/4Cr1/4]16-x、R2[Al-(Ni1/(1+x+y+z)Cox/(1+x+y+z)Fey/(1+x+y+z)Crz/(1+x+y+z））14]Al1和 R3[A

10、l-(Nix/(1+x)Co1/(1+x))8(Fey/(1+y)Cr1/(1+y))6]Al1，可以看出，多主元固溶體合金的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性取決于合金價電子濃度VEC，其性能亦隨結(jié)構(gòu)變化而發(fā)生變化。當(dāng)VEC≥7.61時，合金表現(xiàn)為FCC結(jié)構(gòu)，屈服強(qiáng)度范圍約為318MPa-520MPa;當(dāng)7.46＜VEC＜7.61，合金為(BCC+FCC)雙相結(jié)構(gòu)，合金強(qiáng)度提高，屈服強(qiáng)度介于607MPa-1100MPa;當(dāng)VEC≤7.46時，合金結(jié)構(gòu)為BCC