FeCoCrNiCu0.5Al(Si)x高熵合金结构和性能研究

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传统合金的设计理念是基于某些主要性能来选择一种元素作为主体元素(含量一般超过50%),添加其它元素通过合金化过程提高其主要性能并且要满足次要性能以达到使用要求,如以铁元素为主的钢铁材料,以镁元素为主的镁合金,以铝元素为主的铝合金等。高熵合金是20世纪90年代提出的一个新的合金概念,它具有一些传统合金无法比拟的优异性能,如高强度、高硬度、高耐磨性、高抗腐蚀性、高电阻率等,从而成为材料科学领域中的一个新的研究热点。本文采用真空电弧熔炼法制备FeCoNiCrCu0.5Alx高熵合金(x为摩尔比,x=0.5、1.0、1.5,文中分别用Al0.5、Al1.0、Al1.5表示),并研究了铝含量以及热处理对高熵合金结构、力学性能、抗腐蚀性能和磁性能的影响规律。随着铝含量增加,FeCoNiCrCu0.5Alx高熵合金的热稳定性降低并且该合金的稳定结构由FCC结构向FCC+BCC双相结构转变,合金铸态组织为枝晶结构。BCC相的硬度、抗腐蚀性能、磁性能均优于FCC相。Al1.0铸态合金的硬度最高,达到665.0HV,热处理后合金的硬度降低,Al1.5铸态合金的压缩强度超过3500MPa。Al1.0合金的抗腐蚀性能最强且优于321不锈钢,热处理后抗腐蚀性能降低;铸态合金先在1100℃均匀化处理后水淬,再在700℃时效可获得最佳的综合抗腐蚀性能。Al1.0铸态合金的饱和磁化强度最高,达到64.8emu/g。单一BCC结构的高熵合金综合性能最佳。以非金属元素Si代替金属元素Al,用真空电弧熔炼法制备FeCoCrNiCu0.5Six高熵合金(x为摩尔比,x=0、1.0、1.5,文中分别用Si0、Si1.0、Si1.5表示),研究了Si含量以及热处理后冷却速率对合金结构、硬度以及抗腐蚀性能的影响规律。FeCoCrNiCu0.5Six能够形成具有简单晶体结构的高熵合金,而且铸态合金为枝晶结构。随着硅含量增加,合金衍射峰的强度降低。Si0合金的硬度达到997.4HV,添加Si后合金的硬度降低,热处理后FeCoCrNiCu0.5Six合金的硬度提高,有很好的抗高温软化性能,Si1.5合金热处理后炉冷硬度提高了18.67%,热处理后水淬硬度提高了29.74%。Si1.0合金的抗腐蚀性能最好且优于321不锈钢,热处理后合金的抗腐蚀性能降低。添加Si元素后高熵合金的抗高温软化、抗腐蚀性能提高。根据特征晶体理论思想,利用SGTE数据库并结合磁性能对自由能的贡献,计算了FeCoNiCrCu0.5Alx合金的稳定晶体结构。计算结果与实验结果吻合,该方法对预测其它成分高熵合金的稳定结构具有指导意义。
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