CoCuFeMnNi系高熵合金的显微组织与性能研究

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FCC结构高熵合金由于强度低和耐磨性差在结构材料上的应用受到限制,利用金属间化合物强化设计的多相HEAs可获得优异的综合性能,但含金属间化合物的多相HEAs设计的复杂性和多样性使其具有巨大的挑战。本文在CoCuFeMnNi体系高熵合金上添加不同的元素(Nb、V和Cr)促进金属间化合物的形成,通过电弧熔炼制备了 CoCuFeMnNbxNi 和 CoCrxCuFeMnNiV 高熵合金(x=0,0.25,0.5,0.75,1),探讨了添加元素的种类及含量对CoCuFeMnNi系高熵合金凝固过程、物相组成、相形成参数、显微组织、以及力学及摩擦学性能的影响。本研究获得的主要结论如下:Nb的添加会促进CoCuFeMnNbxNi合金中Laves相的形成,合金相结构从双相FCC1+FCC2逐渐转变成FCC1+FCC2+Laves多相组织,且Laves相含量随着Nb含量的增加而增加。V的添加造成CoCuFeMnNiV高熵合金发生相分离,CoCuFeMnNiV 由 FCC1+FCC2 双相组成,而 Cr 的添加会促进 CoCrxCuFeMnNiV合金相组成转变为FCC1+FCC2+sigma三相组织,Cr促进sigma相的形成且sigma相随着Cr含量的增加而增加。部分参数标准(如Ω、VEC、ΔχPauling)并不能有效预测金属间化合物的形成,相参数 ΔχAllen(≥11.3%)和Md(≥0.93)能有效预测 CoCuFeMnNbxNi 合金中 Laves相的形成,相参数(Md≥0.92和Nv≥2.48)对CoCrxCuFeMnNiV合金中sigma相预测具有较好的吻合性。Nb的添加改变了合金组织凝固顺序并对组织有细化作用,Nb易与Fe、Co元素形成Laves相先凝固,然后在Laves相与FCC1相之间逐渐形成富(Cu、Mn)的FCC2相。而Cr的添加并未影响FCC1和FCC2相的早期凝固行为,但影响FCC1相的稳定性,促进FCC1相转变成sigma相,多余的Cu以纳米级富Cu相在sigma相上二次析出。CoCuFeMnNbxNi 合金的 Laves 相和 CoCrxCuFeMnNiV 合金的 sigma 相均与FCC相之间具有较大的界面错配,提高了合金的屈服强度和维氏硬度,但降低了合金的断裂应变。其中CoCuFeMnNb0.5Ni和CoCr0.5CuFeMnNiV具有较佳的综合性能,前者的屈服强度、抗压强度、断裂应变和维氏硬度分别达到652 MPa、984 MPa、39.1%和2798.88 MPa,后者的这四个力学性能分别达到820 MPa、1050 MPa、22.5%和3139.92 MPa。通过计算合金各种强化方式的贡献,发现CoCuFeMnNbxNi和CoCrxCuFeMnNiV的强化均由固溶强化、晶界强化和第二相强化共同作用导致的,且第二相强化占主导作用。随着Laves相和sigma相的增加均导致合金的断口特征由韧性断口转变呈脆性断口。Nb和Cr的添加都提高了 CoCuFeMnNbxNi和CoCrxCuFeMnNiV合金的耐磨性能,其室温磨损机制分别为磨料磨损和粘着磨损,CoCuFeMnNb0.75Ni合金和CoCrCuFeMnNiV合金具有较低的磨损速率,分别为5.17×10-4 mm3/(N·m)和 2.1×10-5 mm3/(N·m)。
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