共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1高温度梯度的凝固组织和力学性能

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共晶高熵合金是近年来兴起的一种新型合金,它兼具高熵合金和共晶合金的优点,不仅拥有优异的综合机械性能,还具有良好的铸造流动性,因而被受到广泛关注。高温度梯度定向凝固技术作为一种先进的金属材料制备方法,通过改变抽拉速度和温度梯度,不仅能够精确调控组织形态和提高力学性能,还可以研究合金的凝固行为。本课题使用电弧熔炼法制备AlCoCrFeNi2.1铸态母合金,在此基础上,通过定向凝固技术,并结合OM、XRD、TGA、SEM、TEM、万能拉伸试验机等测试手段综合分析其凝固行为、微观组织、力学性能、变形行为和变形机理。主要研究结果和结论如下:铸态AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金由L12相和B2相组成,组织形貌由中心规则层片状区域和两侧非规则区域组成。在400K/cm温度梯度下,经不同抽拉速度(2-800μm/s)定向凝固后,合金始终由L12+B2共晶两相组成,两相的界面关系为:[011]L12//[001]B2,(111)L12//(110)B2;固液界面和凝固组织的转变过程为:平界面→胞状界面→树枝状界面;Zigzag失稳+层片状-棒状共晶→少量棒状+层片状共晶→完全层片状共晶→中心规则层片状+两侧非规则层片状共晶。在110K/cm、200K/cm、400K/cm三种不同温度梯度下,规则共晶片层厚度与抽拉速度的关系式为:λ=13.276V-0.34,λ=10.174V-0.33,λ=9.266V-0.33。在400K/cm温度梯度下,抽拉速度10μm/s时得到的完全层片状共晶组织合金具有最高的屈服强度900MPa;600μm/s时获得了综合机械性能最好的合金,屈服强度为610MPa,抗拉强度为1050MPa,延伸率为49.1%,组织由中心规则层片共晶组织与两侧非规则共晶组织构成,前者为合金提供强度,后者则维持两相协同变形。在拉伸变形过程中,由于10μm/s下较粗大的完全层片组织中的B2相不易变形,所以导致塑性不佳;而600μm/s下合金的层片组织协同变形能力明显提高,并且由于两侧非规则共晶组织良好的阻碍裂纹扩展能力和宏观上的交变应力场作用使得该合金塑性获得极大提升。在压缩变形过程中的亚结构演变方面,10μm/s下组织的变形主要通过相界激活L12相的位错开动以及密排面{111}上两个不同方向的滑移带进行;在600μm/s下的L12相中,是从平面变形特征的位错露头,短位错以及少量的位错缠结和位错塞积,到位错网格,位错相交以及长直的滑移带,再到高致密度的位错壁和位错缠结,最终通过产生大量沿密排的{111}滑移面的堆垛层错进行变形;B2相在早期变形中产生少量的位错,而在后期位错密度显著增加。
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