添加C、Ti对CoFeNiMn高熵合金微观组织与力学性能影响的研究

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自从叶均蔚教授提出“高熵合金”概念以来,高熵合金受到了国内外学者的广泛研究和极大关注。高熵合金突破了传统合金的设计理念,具有传统合金所不具有的优良特性,例如高强度、高硬度、良好的耐蚀性、耐磨性等。目前,高熵合金已经成为材料领域的研究热点,因此研制出兼具高强度和高塑性的高熵合金具有十分重要的理论价值和工程意义。本文通过真空电弧熔炼制备(Co25Fe25Ni25Mn25)100-xCx(x=4,5,6,7,8)、CoFeNiMn(TixC100-x)0.25(x=20,30,40,60,70,80)高熵合金铸锭,采用X射线衍射仪、扫描电镜、透射电镜、万能压缩试验机等设备对合金的相结构、微观组织、力学性能进行分析。接着再对这两种体系合金进行喷铸实验,以探究快冷条件下合金的结构与性能。本文取得的主要成果如下:(1)通过添加C元素制备出铸态(Co25Fe25Ni25Mn25)100-xCx(x=4,5,6,7,8)高熵合金。当x≤5时,合金为单一 FCC相固溶体结构;当x>5后,合金相结构转变为FCC+M23C6两相结构。合金中FCC相的晶格常数(aFCC)随C含量的增加先增加后减小;当x=6时,aFCC达到最大值3.630A。当合金中碳含量较低时(x=4,5),合金组织由等轴晶构成;当合金中碳含量达到6at.%时,合金组织完全转变为树枝晶,枝晶间富含碳化物;当合金中碳含量较高时(x ≥ 7),枝晶间转变为由FCC相和M23C6碳化物相组成的共晶组织。合金的强度和硬度随C含量的增加而得到提高,但塑性则有所降低。(Co25Fe25Ni25Mn25)92C8合金具有最佳的的综合力学性能,其屈服强度、抗压强度、断裂应变和硬度分别为1078MPa、2773 MPa、46.7%和 413 HV0.3。(2)制备得到原位 TiC 颗粒增强 CoFeNiMn(TixC100-x)0.25(x=20,30,40,60,70,80)高熵合金。随合金中x值的增加,合金由单一的FCC相转变为FCC+TiC两相结构,aFCC随x值的增加先减小后增加。微观组织分析表明,合金组织中形成了具有规则形态的微米级TiC颗粒,80%以上的TiC颗粒尺寸小于3 μm。合金的屈服强度和硬度随着合金中x值的增加呈现先减小后增加的趋势,而合金仍然保持优异的塑性,其断裂应变均大于70%。(3)对于喷铸态(Co25Fe25Ni25Mn25)100-xCx高熵合金,当x≤7时,合金仅由单一 FCC相固溶体构成;当x>7后,合金相组成为FCC+M23C6的两相结构。快冷条件下可以有效抑制碳化物M23C6相的析出。合金中aFCC随C含量的增加先增加后减小,在x=7时具最大aFCC(3.626 A)。当合金中碳含量较少时(x=4,5),合金显微组织由晶粒构成;当合金中碳含量增加至6at.%后,合金组织完全转变为树枝晶,枝晶间存在碳化物。力学性能研究表明,合金的屈服强度和硬度随C含量的增加而增加;(Co25Fe25Ni25Mn25)92C8合金具有优异的力学性能,其屈服强度、抗压强度、断裂应变和硬度分别为166 MPa、544 MPa、37%和 398 HV0.3。(4)随着合金中x值的增加,喷铸态CoFeNiMn(TixC100-x)0.25高熵合金结构由单一 FCC相转变为FCC+TiC两相结构,aFCC先减小后增加。扫描电镜分析表明,合金基体为均匀的固溶体结构,TiC颗粒均匀分布于组织中。合金的屈服强度随着合金中x值的增大呈持续减小的变化趋势,合金的塑性较好,其断裂应变均大于60%。合金的硬度随x值的增加先减小后增加,CoFeNiMn(Ti60C40)0.25合金的硬度达到最小值195 HV0.3。
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