含镁高熵合金组织结构及其性能

发布时间：2020-07-16 14:12

【摘要】：合金的设计一直被传统的设计理念所束缚,而传统的合金越来越难满足生产生活的需求。高熵合金作为一种新兴的合金材料,具备诸多优异性能。同时镁作为轻质储氢材料被广泛的研究,但其储氢性能存在不足之处,合金化是改善其储氢性能的重要方法。采用高熵合金的设计理念,利用机械合金化的方法制备含镁高熵合金。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)分析合金的微观组织及相结构,并研究含镁高熵合金的储氢性能、电化学性能、耐腐蚀性能、磁性能。结果如下:(1)高熵合金Mg_(1.7)AlFeCuCr、Mg_2TiMFeNiCr(M=V,Al,Mn)、Mg_2Ti_2VCu_(0.5)Ni_(0.5)Co、Mg_2TiVCuNiCr相结构中均出现了BCC_1结构的固溶体相结构,其中Mg_(1.7)AlFeCuCr为单相的BCC_1结构,Mg_2Ti_2VCu_(0.5)Ni_(0.5)Co为双相固溶体结构(BCC_1+FCC),其余四个合金样品中均出现了未能固溶的组元单质;Mg_(1.7)AlFeCuCr、Mg_2TiAl FeNiCr、Mg_2TiVFeNiCr、Mg_2TiVCuNiCr在300℃、4 MPa均能进行吸/放氢反应,其中Mg_2TiAl FeNiCr最大吸氢量为1.50 wt%,四种合金的放氢平台压较纯镁高,说明比纯镁更易进行放氢反应。在25℃时合金的电化学容量低,合金Mg_2TiVFeNiCr最大容量为93.7 mAh/g,温度升高,容量增大,在70℃时合金Mg_2TiVFeNiCr的最大电容量为212.3 mAh/g,但合金电极的电化学循环稳定性较差。(2)对含镁高熵合金Mg_x TiAlFeNiCr(x=0.6,0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,1.8,2.0,2.2)的热力学参数进行理论计算表明:当x=0.6~1.4时,当热力学参数:-14.13 KJ/mol≤ΔH_(mix)≤-6.76 KJ/mol,8.68%≤δ≤9.77%,1.70≤Ω≤3.36,15.00%≤(35)R_(max)≤17.50%时,合金为单相BCC_1结构;当x=1.6~1.8时,当热力学参数:-5.40 KJ/mol≤ΔH_(mix)≤-4.19KJ/mol,10.03%≤δ≤10.15%,4.14≤Ω≤5.24,14.20%≤ΔR_(max)≤14.70%时,合金为双相BCC结构(BCC_1+BCC_2);当x=2.0~2.2时,当热力学参数:-3.10 KJ/mol≤ΔH_(mix)≤-2.13 KJ/mol,10.23%≤δ≤10.29%,6.95≤Ω≤9.92,13.30%≤ΔR_(max)≤13.70%时,合金的相结构为BCC_1+BCC_2+Mg,即随着ΔH_(mix)、δ、Ω的值逐渐增大、(35)R_(max)值的逐渐减小,高熵合金从单相结构向多相结构转变。该理论计算结果将对以后含镁高熵合金的设计提供理论依据;高熵合金在10%HCl溶液和3.5 wt%NaCl溶液中的耐腐蚀性能进行研究表明:随着镁元素含量的增加,合金的耐腐蚀性能逐渐降低,且在3.5wt%NaCl溶液中的耐腐蚀性能强于镁合金;此外,对高熵合金的磁性能研究发现合金的矫顽力在10 Oe~300 Oe之间,可应用于半硬磁合金领域。
【学位授予单位】：安徽工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG139
【图文】：

曲线图,混合熵,组元,原子比

atom ratio alloy[20]如图1.1为等原子比合金的混合熵以及组元数之间的曲线图，从图中了解到，合金的混合熵与组元数目成线性递增关系，当组元数为 2 个时，1 mol 的混合熵为 0.69 R，当组元数为 5 时，1 mol 的混合熵为 1.61 R，很明显混合熵大于 1.61 R的合金就可以称作高熵合金。对于传统合金其混合熵一般不超过 1 R，所以高熵合金的混合熵应该超过此值。根据此图我们可以做以下分类

XRD图谱,XRD图谱,合金

图 1.2 Cu-Ni-Al-Co-Cr-Fe-Si 系合金的 XRD 图谱[21]Fig1.2 XRD patterns of the Cu-Ni-Al-Co-Cr-Fe-Si alloys[21]尾酒”效应酒是一种混合型的饮品，一般有两种及以上的酒、果汁或其他其兼具酒与其他组分的味道，融合了各个部分的优点，此种特应。高熵合金系统也呈现出此种特性，学者 Ranganathan 最早出高熵合金本身同样具备此种效应，由于高熵合金组成元素的之间相互协同，使得高熵合金本身兼具各组成元素所拥有的优弃各元素的缺点，起到了扬长补短的作用，所呈现出来的类似例如，高熵合金中添加一定量的轻质元素，B 和 Al 等，则高得更轻、密度更小；添加一定量耐氧化的元素，则高熵合金将添加一定量的耐腐蚀金属例如 Cr、Ni 等，则会使高熵合金就蚀性能；添加具有高熔点的金属元素，则会使得高熵合金具备

示意图,相结构,合金,硬度

图 1.3 高熵合金 AlxCrFeCoNiCu 的硬度和相结构示意图[22].3.The hardness and the structure diagram of AlxCrFeCoNiCu high entropy a 1.3 我们能够发现，随着合金中 Al 元素的含量的增高，合金C相向 FCC BCC相结构演变，最后转变为BCC 结构的过程。升高，合金的硬度逐步增加，而 Al 元素其本身并不具备高硬能和合金中的其他元素相互交互，进而形成的BCC 结构具备滞扩散效应oCrCuFeNi[23]等高熵合金的结构中我们不难发现在其基体上的析出物，这些析出物的存在证明高熵合金在相转变和扩散过为高熵合金的组成元素较多且原子半径差异比较大，从而导致慢，另外，各种元素原子在进行扩散时，由于各种原子的活泼活跃性较差的原子很难有机会在空位中扩散，从而使得扩散减

【参考文献】