高强、高热稳定性FeCoNiCr系纳米晶高熵合金的研究

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纳米晶金属由于优越的强度、耐磨性和抗疲劳性引起了国内外广泛的研究。纳米晶高熵合金的一个重要方面是热稳定性,热稳定性优异有助于其在高温下的使用。纳米结构的保留和相稳定性形成了热稳定性研究的两个方面。如何在高温状态下还能保持材料的微观结构及力学性能的稳定性是进行材料性能研究的一大重点。本研究旨在以FeCoNiCr为高熵合金基体,通过添加合金化元素,制备一种高强度、高热稳定性纳米晶高熵合金。通过熔炼法、机械合金化结合高温高压(4 GPa,1000℃)的方法制备两种等原子比的FeCoNiCr合金,比较其性能。熔炼法合成的FeCoNiCr合金硬度仅为182±10 HV,屈服强度为161 MPa,而采用高温高压合成的FeCoNiCr合金硬度为507±15 HV,屈服强度为1521 MPa。熔炼FeCoNiCr样品晶粒大小分布不均,平均晶粒尺寸达到404±109μm,然而,1000℃高压FeCoNiCr合金平均晶粒尺寸仅为158±52 nm。在FeCoNiCr为主体的基础上添加多种合金元素,通过调控各种合金元素,如Zr、Hf、La、Y、Ti、W、Y2O3的掺杂方式,以期得到力学性能优异、热稳定性良好的合金成分。实验证明,(FeCoNiCr)99La1合金表现出最优性能,后选择其进行后续的研究。在600~1300 ℃对(FeCoNiCr)99La1合金进行保温1 h的退火实验,测试其硬度。(FeCoNiCr)99La1在退火前硬度为725±12 HV,800 ℃退火后硬度为716±11 HV,1000 ℃退火后硬度为674±8 HV,1200 ℃退火后为505±10 HV,其体现了良好的热稳定性。通过TEM统计其晶粒尺寸的大小,FeCoNiCr制备态合金晶粒尺寸达到了158±52 nm,(FeCoNiCr)99La1制备态合金晶粒尺寸为29±11 nm,在1200 ℃退火后,(FeCoNiCr)99La1还能保持在纳米晶,晶粒尺寸仅为86±28 nm,而FeCoNiCr合金的晶粒尺寸已经长大到789±411 nm。这说明在相同退火条件下,添加La元素可以延缓晶粒长大,合金热稳定性得到了提升。根据TEM图像,(FeCoNiCr)99La1合金中有La2O3析出相钉扎在晶界处,还存在La元素在晶界处偏析,这表明(FeCoNiCr)99La1的热稳定性是动力学和热力学机制共同作用的结果。
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