基于熵效应多组元不锈钢的研制探索和组织性能

发布时间：2020-09-08 19:41

　　本研究基于高熵效应,探索研究了真空电弧炉熔炼新型多组元不锈钢的组织与性能。各成分系列中元素摩尔添加含量如下:(1)含Co元素的Fex Cr13Cu3(Co Ni Mn Mo)(84-x)系,铁含量x设定为35 at.%,50 at.%和65 at.%;(2)低成本无Co元素的Fex Cr13Cu3(Ni Mn Mo)(84-x)系,铁含量x设定为35 at.%,50 at.%和65 at.%;(3)添加Al、Ti元素的Fe65Crx Cuy(Co Ni Mn Mo Al Ti)(35-x-y)系列,该成分具有显著时效硬化效应。为了研究Cr和Cu含量的影响,分别设定x为13 at.%和18 at.%,y为3 at.%和5 at.%。实验结果表明:含Co成分Fex Cr13Cu3(Co Ni Mn Mo)(84-x)系列中当Fe含量为35at.%和50at.%时,凝固相结构为FCC固溶体和Fe2Mo金属间化合物。随着铁含量增加,Fe2Mo析出量明显减少且硬度下降,当Fe含量达到65at.%时相结构转变为单一的FCC固溶体,Fe2Mo相完全消失,组织中成分偏析减小,硬度降至182HV。在1mol/L H2SO4溶液中的耐蚀性研究显示,铁含量增加导致合金耐蚀性能降低,但含铁65 at.%的Fe65Cr13Co4.75Mn4.75Mo4.75Ni4.75Cu3成分耐蚀性能仍然与相同条件下制备的典型Cr-Ni系奥氏体不锈钢00Cr19Ni14Mn2耐蚀性能接近。无Co成分Fex Cr13Cu3(Ni Mn Mo)(84-x)系列中当Fe含量为35at.%和50at.%时,凝固相仍然为FCC固溶体和Fe2Mo金属间化合物。但与含Co不锈钢系列中对应成分相比,去除Co元素之后各合金中成分偏析更加严重,Fe2Mo含量明显增多且不利于耐蚀性能。当Fe含量为65at.%时Fe2Mo相完全消失,相结构转变为FCC+BCC两相固溶体。添加Al、Ti元素的Fe65Crx Cuy(Co Ni Mn Mo Al Ti)(35-x-y)成分系列凝固组织均为单一bcc相结构的等轴晶,且具有显著的时效硬化效果。Fe65Cr13Cu3Co3.1Ni3.1Mn3.1Mo3.1Al3.1Ti3.1成分凝固硬度为476HV,500℃最大时效硬度达到584HV,明显高于传统17-4PH沉淀硬化不锈钢400~500HV的最大时效硬度,且在H2SO4溶液中耐蚀性明显优于购买的商业17-4PH沉淀硬化不锈钢。进一步研究发现,随着该成分中添加C元素含量的提高,合金的时效硬度增加但耐蚀性变差;Cu含量从3 at.%增加至5 at.%,合金耐蚀性显著性下降;Cr含量从13 at.%增加至18 at.%,Fe60Cr18Co3.1Ni3.1Mn3.1Mo3.1Cu3Al3.1Ti3.1在所有研制成分中具有最佳的耐蚀性能,且时效硬度可高达到630HV。本文探索性研制结果表明:虽然多组元不锈钢成分设计复杂,但当铁含量接近65 at.%时并不会造成凝固组织形成大量复杂金属间化合物和严重成分偏析。不同成分多组元不锈钢可具有单相奥氏体不锈钢结构,双相不锈钢fcc+bcc两相结构和具有显著时效硬化效应的沉淀硬化不锈钢简单bcc固溶体结构。相结构变化导致不同成分合金硬度发生相应变化。同时,部分成分耐蚀性可与相同条件下制备的Ni-Cr奥氏体不锈钢相媲美。特别是含Al、Ti的Fe60Cr18Co3.1Ni3.1Mn3.1Mo3.1Cu3Al3.1Ti3.1沉淀硬化不锈钢时效硬度和耐蚀性能均远高于传统的17-4PH沉淀硬化不锈钢。表明多组元不锈钢的探索研制具有一定意义并值得后续进一步深入研究。
【学位单位】：安徽工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG142.71
【部分图文】：

曲线,混合熵,原子比,吉布斯自由能

图 1.1 等原子比合金的混合熵与元素数的关系曲线1 The relation between mixing entrogy and the number of component 可知，标准状态下一个系统的吉布斯自由能：ΔG=ΔH－ T ΔS为吉布斯自由能， H 为系统的焓变，T为系统的绝对温。吉布斯自由能越小体系越稳定，因此在多主元高熵合熵就越大，吉布斯自由能也就越小，则系统越稳定明当合金元素种类达到一定数目时，系统的混合熵很大，化合物的形成，促进合金形成的单一而稳定的晶体结构[合金优势可知，高熵效应阻止结构复杂的第二相生成，促进各元素生成简单的晶体结构，形成单一的体心立方(BCC)结构、

示意图,固溶体,原子,合金

图 1.2 五种不同原子混合形成固溶体相的示意图.2 Five different atomic mixed formation of solid solution ph合金容易形成单一固溶体相或者非晶结构，并且合致密的氧化膜，因此部分种类的高熵合金具有较强元数比较多,在高温条件下混乱度更是增高，使得械性能。高熵合金中的某些组元元素具有一定的磁互作用时，可能会使得合金也具有磁性能；在高熵及形成薄膜的颗粒尺寸等因素对电磁性有一定的影好，便于加工和装配，匹配性也不错；由于高熵合所以高熵合金钎料的耐腐蚀性能一般也较好。金的制备及研究现状1.2）可知，一般认为合金中等摩尔比元素的种类

形貌,不锈钢,中点,形貌

第一章文献综述为预防不锈钢发生晶界腐蚀，一般可以严格控制含碳量，对不锈钢进行固溶处理、均匀化处理和表面处理，或在不锈钢中添加稳定化元素等[45]。不锈钢的点蚀又称孔蚀，是发生在极局部区域的一种腐蚀形式，点蚀孔分散或密集分布在金属表面上。图 1.3 为不锈钢在 3.5% NaCl溶液中发生点蚀后的表面形貌。目前形成点蚀的机理主要是由于不锈钢的组织成分不均匀和腐蚀环境。不锈钢在在铸造、处理、加工过程中会产生缺陷，在与含氯离子的介质接触后,不锈钢抗蚀最重要的表面钝化膜在缺陷处被破坏，从而形成微型原电池并加剧腐蚀。点蚀的腐蚀速率很快，并且会加剧晶间腐蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳的进程，甚至很多情况下点蚀即是这些类型腐蚀的起源。南昌航空大学的徐珊[46]通过多种电化学测量方式研究了 304 不锈钢在的腐蚀溶液中点蚀行为，发现氯离子浓度越高，pH值越低，304 不锈钢的耐点蚀能力越差。

【参考文献】