论文部分内容阅读
近年来,航空航天及国防军工领域对材料性能的需求愈来愈高,对高温材料也提出更为严苛的性能要求。不仅要求合金在室温和高温下具有优异的综合力学性能,还追求其轻质化、高强化、优异的抗氧化性以及热稳定性等性能。传统高温合金由于使用元素的密度以及熔点等特性,在成分设计上会受到限制。难熔高熵合金则结合了高熵合金以及难熔合金两种合金的优点,在高温材料上有更大的成分设计空间;其中,高Ti难熔高熵合金的低密度高强度特性,使其有可能成为性能优异的轻质高强高温材料。因此,研发具有优异力学性能、抗氧化性以及高温热稳定性的轻质高强难熔高熵合金,具有重要的研究意义。本文设计了Ti2Zr Hf0.5VNb0.5-X(X=Al、Cr、N)系列难熔高熵合金,系统地了研究了其微观组织、室温力学性能、高温力学性能、抗氧化性以及热稳定性,并探讨了不同组织、不同强化方式对合金性能的影响。主要结果如下:(1)根据d轨道能级电子设计方法,本文归纳总结了含Ti难熔高熵合金的(?)和(?)值对其相组成的影响规律,设计制备了五元的Ti2Zr Hf0.5VNbx系列难熔高熵合金。发现高熔点的Nb元素添加后,系列合金均展现单相BCC结构,在873 K和1073 K的高温屈服强度均有所提高。其中,密度为6.68 g/cm~3的Ti2Zr Hf0.5VNb0.5(Nb0.5)合金具有优异的综合性能,室温屈服比强度,室温塑性,873 K高温屈服强度分别为:145.2 k Pa·m~3·kg-1、>50%、716 MPa。(2)在Ti2Zr Hf0.5VNb0.5基体合金添加Al元素后,发现随着Al含量的增加,Ti2Zr Hf0.5VNb0.5Alx合金在不发生明显的长程元素扩散的情况下,局部发生原子重排导致有序化,合金从单相BCC结构,最终演变为Ti2Zr Hf0.5VNb0.5Al1(Al1)合金的单相B2相结构。这种有序结构钉扎和阻碍了位错运动,使得合金在室温,873 K以及1073 K下的强度均大幅度提高,并且塑性损失相对较小。其中,Al1合金展现优异的轻质高强性能,其密度低至6.07 g/cm~3,室温和873 K的屈服比强度分别高达232.3 k Pa·m~3·kg-1和179.2 k Pa·m~3·kg-1。此外,Al添加后的合金在1073 K下氧化后会产生Al2O3及(Zr,Hf)V2O7等氧化物组成的复合氧化层,在一定程度上改善了合金的抗氧化性,1073 K下氧化24h后的单位表面积增重(Δm)从Nb0.5合金完全氧化后的318.30 mg/cm~2降低至Al1合金的46.81 mg/cm~2,并且Al1合金在50 h氧化增重仅为112.06 mg/cm~2。(3)为了解决Al添加后的合金组织热稳定性较差的问题,将Cr元素替代V元素添加至基体Nb0.5合金,在改善合金力学性能的同时,得到具有良好热稳定性的难熔共晶高熵合金。发现合金由单相BCC组织结构向BCC+Cr2(Zr,Hf)-Laves双相共晶组织转变,最终得到Ti2Zr Hf0.5Nb0.5Cr1.25(Cr1.25)合金为不规则棒状的完全共晶组织。双相共晶组织的出现,使得合金室温屈服强度从970 MPa提高至1320 MPa,高温强度略有下降。这种共晶合金在873 K以及1073 K下长时间退火后,组织形貌和力学性能没有发生明显变化。此外,Cr添加后合金氧化形成的Cr2O3和Cr Nb O4复合氧化物具有更有优异的保护性,50 h氧化后的单位面积的质量增重从Al1合金的112.06 mg/cm~2再降低至59.27mg/cm~2,优于Al1合金。(4)将间隙元素N添加至基体Nb0.5合金,在间隙强化以及第二相强化共同作用下,可以提高合金强度的同时,还能改善合金的热稳定性。结果发现N大多间隙固溶在基体BCC相中,仅在Ti1.8Zr Hf0.5VNb0.5(Ti N)0.2(N20)合金出现少量的氮化物,这种强烈的间隙强化钉扎和阻碍了位错运动,使得合金的室温和高温屈服强度的提高幅度最大。其中,密度为6.62 g/cm~3的Ti1.9Zr Hf0.5VNb0.5(Ti N)0.1(N10)合金展现最为优异的综合性能,室温屈服比强度,室温塑性,873 K屈服强度分别为228.0 k Pa·m~3·kg-1、43.7%、916 MPa;密度为6.64 g/cm~3的N20合金的室温屈服强度和屈服比强度,分别为2104 MPa和316.9k Pa·m~3·kg-1,873 K下的屈服强度也高达1157 MPa,超过Al1合金。该系列合金在长时间退火后会析出氮化物,热稳定性优于Al添加后的有序化合金,弱于Cr添加后的难熔共晶高熵合金。