间隙原子对难熔高熵合金力学和阻尼性能的影响规律及机理研究

发布时间：2020-07-31 21:18

【摘要】：难熔高熵合金主要由第四、五和六副族难熔金属元素以等原子比或近等原子比合金化而形成的一类合金,具有高的室温强度和优异的抗高温软化性能,在航空航天领域具有潜在的应用前景。然而,难熔高熵合金通常具有室温脆性,加工性能明显不足;其次,难熔高熵合金中的组成元素均极易掺杂间隙原子如碳、硼、氧、氮等,杂质含量难以控制,为制备和加工带来较大的挑战;最后,鉴于其高昂的原材料成本,研发单一性能的难熔高熵合金也将很难与传统金属及合金相竞争。这些问题均极大地限制了难熔高熵合金的应用和开发,鉴于此,本论文围绕间隙原子对典型TaNbHfZrTi系难熔高熵合金的性能影响规律与机理展开了研究:首先系统研究了构型熵对TaNbHfZrTi系等原子比合金室温拉伸性能的影响,发现该合金系的拉伸屈服强度随构型熵的增大而显著提高。利用原子尺寸不匹配度估算了各等原子比合金的点阵畸变,发现该系合金的晶格摩擦力与其点阵畸变成正相关关系。通过计算该系合金的位错核心宽度,发现难熔中熵和高熵合金的约化位错核心宽度(～0.95b,b为伯氏矢量)显著低于纯Nb和二元NbTi的约化位错核心宽度(1.14b和1.08b),说明难熔高熵合金高的屈服强度来源于其大的晶格摩擦力。同时发现,TiZrHfNb四元难熔高熵合金具有较为优异的室温拉伸性能。其次,系统研究了间隙原子碳、硼、氧、氮对TiZrHfNb难熔高熵合金显微组织及室温拉伸性能的影响,发现0.5 at.%碳或硼的添加,合金基体中即会出现脆性的陶瓷相,从而显著降低合金的拉伸塑性。但是,TiZrHfNb高熵合金中氧和氮的溶解度超过3.0 at.%,且随着氧或氮含量的增加,其拉伸屈服强度也大幅提高。尤其值得一提的是,添加2.0 at.%氧时,其拉伸塑性从14.21%±1.09%提高到了27.66%±1.13%。此外,本论文针对氧在TiZrHfNb难熔高熵合金的异常间隙强韧化现象展开了原子尺度的变形机理研究,发现添加2.0 at.%氧时,合金基体中形成了有序氧复合体结构,这是一种介于常规随机间隙原子和氧化物陶瓷相之间的新的间隙原子存在状态。有序氧复合体可钉扎位错,促使该合金的位错滑移方式从易于产生应力集中的平面滑移转变为可促进变形均匀性的波浪滑移转变,提高了位错的形核和增殖速率,从而提高了合金的加工硬化能力和拉伸塑性。最后,本论文提出了利用“熵稳定工程”设计Snoek型间隙固溶高温高阻尼合金的设计思路,在一系列难熔高熵合金中通过添加2.0 at.%氧或氮,成功设计出多种Snoek型高阻尼难熔高熵合金,这一新型的高阻尼合金不仅具有高的高温阻尼容量,还具有高的拉伸屈服强度和良好的拉伸塑性,展现出优异的机械性能和阻尼性能,拓宽了难熔高熵合金的研究和应用范畴。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TG139;V252
【图文】：

混合熵,合金成分,合金,组元

逡逑化，如图１－ｌａ所示。从图中可以看出，三元合金的混合熵Ａ５ｍ＆在三种组元逡逑的原子百分含量相同时达到最大值１．１／？。图１－ｌｂ为等原子比多主元随机固溶逡逑体混合熵随主元数的变化［２５］，可以发现，随着主元数增加，合金混合熵逡逑ＡＳｍ＆也随之增加。也就是说，对于多组元合金体系，各组元的原子百分含量逡逑越接近，组元数越多，其混合熵ＡＳｍｉ；ｃ就越大。同时，从图Ｍｂ可以看出，当逡逑合金的组元数达到五种或五种以上时，其混合熵已达到相对较高的数值；而逡逑当组元数增加到超过十三种时，合金系统的混合熵／＾？＾趋于饱和，继续增加逡逑组元数所带来的混合熵的增加己不再明显，因而一般将高熵合金的组成元素逡逑设计在五到十三种之间。逡逑（ａ）逦ｆ１Ｒ邋｜（ｂ）§２５｜逡逑ｉ邋ｊＢＩｉ：逡逑ｗ邋．逦ｒ邋ｒ邋—ｔ邋＾邋？邋ｒ邋ｒ邋ｒ￣￣0逦０邋逦１邋１邋－Ｊ邋１邋１邋１邋逡逑１逦０９邋0？邋０７邋0？邋ｏｓ邋０４邋0ｉ邋０３逦０１邋0逦１逦３逦５逦７逦９逦１１逦１３逦１５逡逑Ａ逡逑Ｎｕｍｂｅｒ邋ｏｆ邋ｅｌｅｍｅｎｔｓ邋ｆｏｒ邋ｅｑｕｉｍｏｌａｒ邋ａｌｌｏｙｓ逡逑图１－１合金混合熵随合金成分的变化。逡逑（ａ）三元合金体系的混合熵ＡＳ？＾随合金成分的变化（ｂ）完全无序的等原子比多逡逑主元随机固溶体混合熵随组元数的增加而增加Ｉ气逡逑根据经典的Ｇｉｂｂｓ相律［２６］，组元数为ｎ的合金体系，其平衡相数目为逡逑ｐ邋＝邋ｎ邋＋邋１逦（１－４）逡逑其中ｐ为系统的相数。在非平衡凝固时

点阵畸变,混合熵,组元

谱线,吸收谱,合金,化学短程有序

在从原子尺度上理解高熵合金复杂的化学短程有序特点Ｚｈａｎｇ等［３７］利逡逑用扩展Ｘ射线吸收精细结构（ＥＸＡＦＳ）和中子散射研究了邋ＮｉＣｏＣｒ合金的局逡逑域结构并验证了化学短程有序的存在。如图１－３所示，Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ的ＥＸＡＦＳ逡逑谱线中，三种元素的第一峰的位置略有差异，说明Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ三种原子与周逡逑围原子的局域键长并不相同。进一步的理论计算表明，Ｃｒ更倾向于与Ｃｏ和逡逑Ｎｉ原子形成键合，从而证明了邋ＮｉＣｏＣｒ等原子比合金并不是完全无序的，其逡逑存在着化学短程有序。Ｍａ等［３８］也对Ａ１丨２邋５Ｎｉ２５Ｃｏ２５ＦｅＩ８邋７５Ｃｒ丨８．７５和逡逑Ａｌ１２．５Ｎｉ１７５Ｃｏ１７．５Ｆｅ３５Ｃｎ７５两种高熵合金进行了原子尺度的精细结构表征，也逡逑发现此两种高熵合金也存在化学短程有序。逡逑－６－逡逑

【相似文献】