【摘 要】
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近年来,高熵合金(High entropy alloys,HEAs)作为一个新的合金设计理念,由于成分、结构和性能具有可调性而成为了金属材料领域中的研究热点,在航空航天、石油化工、汽车制造、电子电气等领域具有广阔的应用前景。目前,高熵合金及高熵合金基复合材料的制备工艺大多采用熔炼法和粉末冶金法,这两种制备技术的复杂性及高成本在一定程度上限制了高熵合金及其复合材料的实际应用,因此,开发一种高效快捷、
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目:基于铝热反应的高熵合金熔体的喷射沉积熔敷层组织和性能调控机理研究(51971091)
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近年来,高熵合金(High entropy alloys,HEAs)作为一个新的合金设计理念,由于成分、结构和性能具有可调性而成为了金属材料领域中的研究热点,在航空航天、石油化工、汽车制造、电子电气等领域具有广阔的应用前景。目前,高熵合金及高熵合金基复合材料的制备工艺大多采用熔炼法和粉末冶金法,这两种制备技术的复杂性及高成本在一定程度上限制了高熵合金及其复合材料的实际应用,因此,开发一种高效快捷、低成本的合金制备方法有利于促进高熵合金的研究与发展。本文将铝热法应用到高熵合金及高熵合金基复合材料的制备中。首先对多主元合金进行成分调控研究,基于Fe3O4、Co2O3、Ni2O3、Mn O2和Cr O3五种氧化物经铝热反应后生成Co-Cr-Fe-Ni-Mn系26种合金,探究了多种不同氧化物铝热反应的负焓值与铝热还原产物成分之间的对应关系,进而推广到多种氧化物铝热反应的负焓值与反应后成分之间的一般规律,拟合出对应的函数关系式,并基于此制备了近似等摩尔比的CoCrFeNiMnAl高熵合金,从而实现对铝热法制备多主元高熵合金的成分的调控。在此基础上,制备了近等摩尔比的(CoCrFeNiMnAl)100-xWx(x=2.0,2.5,3.0)系列高熵合金,探究W含量对CoCrFeNiMnAl高熵合金的相结构、微观组织和性能的影响。结果表明,(CoCrFeNiMnAl)100-xWx(x=2.0,2.5,3.0)高熵合金均以FCC+BCC相结构组成,微观组织均为枝晶和枝晶间结构。随着W含量的增加,该合金的维氏硬度从533.2 HV提高到604.6 HV,耐磨损性能也相应的提高,CoCrFeNiMnAl97.0W3.0合金的摩擦系数和磨损率分别为0.684和1.06×10-5mm~3/N·m,磨损机制由粘着磨损转变为粘着磨损和磨粒磨损相结合,最后再转变为磨粒磨损。(CoCrFeNiMnAl)100-xWx(x=2.0,2.5,3.0)高熵合金在3.5wt%Na Cl溶液中的耐腐蚀性能随着W含量的增加而提高,腐蚀电流密度从6.08×10-6 A/cm~2减小到1.72×10-6 A/cm~2,腐蚀速率逐渐减小。进一步地,增大W的含量以及优化高熵合金成分,原位生成了W/FeNiMnAlW高熵合金基复合材料,高熵合金基体由FCC相、B2相和W2C相组成。增强相W颗粒均匀分布在基体组织中,其体积分数和平均晶粒尺寸分别为30.9%和13.57μm,与基体实现良好的冶金结合。W相、B2相和FCC相的硬度分别为681.48HV、533.82 HV和286.70 HV。W/FeNiMnAlW复合材料的屈服强度为1241 MPa,最大抗压强度和最大塑性应变分别超过2530 MPa和15%,表现出良好的力学性能。W/FeNiMnAlW复合材料的体积磨损量和磨损率分别为0.42 mm~3和4.95×10-3mm~3/N·m,磨损机理主要为粘着磨损和磨粒磨损。该复合材料在3.5wt%Na Cl溶液中的腐蚀电位和腐蚀电流密度分别为-0.505 Vsce和1.002×10-5A/cm~2。分析认为W颗粒呈近球型均匀分布以及FCC相与B2相的有效结合是该复合材料具有良好性能的主要原因。
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