AlCoCrFeNi系高熵合金抗辐照和抗氧化行为研究

发布时间：2020-10-10 22:24

　　 从熵的角度研究多组分合金,将材料科学的探索和认知提升至了全新的高度。统计物理学上,熵是材料排列混乱程度的量度,对应材料的“无序度”。高的混合熵和高的合金化元素含量的多组分合金材料,倾向于形成非晶或固溶体等高熵无序相结构。因此,无论是非晶合金的“混乱原理”还是高熵合金的“高熵效应”,都与熵有着密切的联系。本论文针对熵对多组分合金组织结构和性能的影响,研究了 AlxCoCrFeNi系多组元高熵合金的离子辐照性能和含Ni多组元合金的高温氧化性能。本论文主要涵盖以下内容:(1)采用真空电弧熔炼方法制备的Al0.1CoCrFeNi、Al0.75CoCrFeNi和Al1.5CoCrFeNi三种合金,其主要的相组成与CALPHAD相图计算的结果一致。随着Al元素含量的增加,AlxCoCrFeNi系多组元高熵合金由FCC结构过渡到BCC结构,Al0.1CoCrFeNi是单相FCC结构;Al0.75CoCrFeNi是FCC + B2结构;Al1.5CoCrFeNi是A2 + B2结构。研究表明,Al元素能够促进多组元合金中BCC相结构的稳定。另外,以混合熵值的大小来度量AlxCoCrFeNi系多组元高熵合金,三种合金的混合熵分别为12.20、13.33和13.25J/mol·K。研究结果表明,当x1时,混合熵值随x的增加而增大,但并未促进AlxCoCrFeNi系多组元合金中单相无序固溶体结构的生成。(2)采用3 MeV Au+常温离子辐照,研究了 AlxCoCrFeNi系高熵合金的辐照体积肿胀率和析出行为。实验结果表明,离子辐照后该合金体系的体积肿胀率顺序为FCCFCC+BCCBCC,与传统BCC结构材料的辐照体积肿胀率小于FCC结构的趋势相反。此外,在辐照剂量为～40 dpa时,混合熵值较低的Al0.1CoCrFeNi合金表现出优异的抗辐照析出能力,而混合熵值较高的Al0.75CoCrFeNi和Al1.5CoCrFeNi合金,则存在平均尺寸～6 nm的共格析出相,并且随着辐照剂量的增加,析出相的平均尺寸增加。同时,利用EELS研究了析出相中元素的偏析情况,研究结果显示,Al1.5CoCrFeNi合金A2中析出富Fe的析出相,而B2中析出富Co的析出相。(3)采用3 MeV Au+常温离子辐照,系统研究了 AlxCoCrFeNi系多组元高熵合金的辐照微观结构演变。TEM研究结果表明,低辐照剂量下～1 dpa,单相Al0.1CoCrFeNi合金,辐照缺陷主要为小而密的点状缺陷,随着辐照剂量的增加,缺陷尺寸逐渐增大形成位错线和位错环,导致缺陷密度降低。双相Al0.75CoCrFeNi和Al1.5CoCrFeNi合金无序相中辐照缺陷的尺寸和密度均较有序相小。研究表明,无序相结构中缺陷的形成能和迁移能可能较有序相高,导致点缺陷的形成和移动受到抑制,从而表现出优异的抗辐照缺陷能力。即固溶体的有序度与多组元高熵合金的抗辐照性能成反比。(4)采用3MeVAu+高温离子辐照,研究了 Al0.1CoCrFeNi高熵合金在250℃～650℃温度下辐照缺陷的微观结构演变。研究结果表明,Au+高温离子辐照导致合金中主要形成柏氏矢量为1/2110和1/3111的两种间隙型位错环和层错四面体,并未发现空洞。随着辐照温度的升高,合金中位错环的尺寸增加,密度减少。分析表明,小位错环或团簇的长大及合并是导致位错环尺寸增大密度减少的主要原因。650℃时,由于回复机制的存在,高温下空位团大量分解,分解后的单空位与间隙型位错或团簇原子进一步复合,导致缺陷密度急剧下降。另外,三维原子探针(APT)实验结果表明,Au+高温离子辐照导致Alo.1CoCrFeNi合金中溶质原子Co/Ni在位错环处发生偏析,其主要原因是Co/Ni的原子半径大于Cr/Fe,根据辐照点缺陷与溶质原子的相互作用原理,从消除或减少应力的角度,尺寸较小的原子Co/Ni易在间隙型位错环处聚集,而较大原子Cr/Fe则在间隙型位错环处贫缺。(5)研究了纯Ni及含Ni元素的等原子比多组元合金在800℃的高温氧化性能。抗氧化性能的顺序为FeNiCoFeNiNiCoCrFeMnNiCoCrFeNi,表明随着熵值的增加,性能并不是线性增加,而是呈现出非线性行为。同时,研究了 AlxCoCrFeNi系多组元合金在298 K～77K的低温冲击性能。研究发现,随着温度的降低,CoCrFeNi和Al0.1CoCrFeNi合金的冲击韧性,呈现升高趋势,表明在298 K到77K温度区间内,这两种合金均不存在韧脆转变温度。低温高冲击韧性的主要原因为纳米孪晶强化机制的出现,其中CoCrFeNi合金在低温77K时的冲击功为398J。
【学位单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG139
【部分图文】：

－－?？－ｉｍｋ．－＇．．．‘?ｊ？■‘??图１－１为等原子比合金混合熵与组元数的关系曲线。从图中可知，当组??元数目增加到１２或１３时，混合熵的增加速度开始减缓，说明当组元达到??一定数目时，不能再单纯地依赖增加组元数目来显著地提高混合熵的数值。??４．０－

图１－４髙熵合金的发展以及常用工业合金混合熵值的范围ｗ??

图１－３传统合金在熔融状态或室溫时的混合熵值比较１３１??
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本文编号：2835667