AlCoCrFeNi系高熵合金Al、Cr、Ni的扩散行为研究

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高熵合金(High-entropy Alloy)是近些年发展起来的一种新型合金。研究表明,原子在高熵合金中的扩散速率要远低于传统合金。高熵合金的这种迟滞扩散效应使得高熵合金具有良好的热稳定性和较高的抗氧化性,并有助于在高熵合金基体中形成纳米晶。高熵合金中的原子扩散行为也对理解高熵合金的凝固、相变、回复及再结晶等过程有重要意义。目前关于高熵合金的扩散行为研究还十分有限,人们对其扩散机制还缺乏深入理解。本文以AlCoCrFeNi系高熵合金为研究对象,研究Al、Cr和Ni的扩散行为。采用伪二元扩散偶的方法,较系统地研究了扩散温度、时间和磁场等对Cr和Ni扩散行为的影响;利用高熵合金和纯Al的扩散偶探究Al在高熵合金中的扩散行为。通过电子探针检测界面成分变化和扩散层厚度等,从动力学角度计算了扩散系数,并且从热力学角度获得了扩散常数和扩散激活能,得出的主要结论如下:(1)随着温度的升高,伪二元高熵合金扩散偶的扩散层厚度明显增加。扩散距离与扩散时间呈抛物线关系,扩散界面没有产生新相。Al和高熵合金的扩散偶在823、793和773 K下在扩散界面产生新相,但是在723 K和673 K下扩散界面没有产生新相。(2)根据Boltzmann-Matano方法计算Cr和Ni的扩散系数。相同的热处理条件下,其扩散系数随浓度变化而稍有变化。伪二元扩散偶中,Ni的扩散能力小于Cr的扩散能力。通过计算获得Cr的扩散常数为2.5×10-5m2/s,扩散激活能为259.7 kJ/mol;Ni的扩散常数为1.6×10-4m2/s,扩散激活能为285.1 kJ/mol。相对于传统的面心立方金属而言,高熵合金扩散得更加缓慢。(3)不同温度下,强磁场对高熵合金扩散的影响有所不同。温度为1293 K时,6T强磁场可以抑制Cr和Ni元素的扩散;温度为1273K时,6和12 T强磁场可以促进Cr的扩散。而对于Ni来说,6和12 T的“正”磁场方向(浓度梯度与磁场方向相同)可以促进Ni的扩散,6和12 T的“负”磁场方向(浓度梯度与磁场方向相反)可以抑制扩散;温度为1253 K时,6 T强磁场可促进Ni和Cr的扩散。
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