【摘 要】
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高熵合金新颖、独特的设计方式使其具有优异的力学性能,比如高强度、高硬度、优异的耐蚀性以及高温力学性能等。在众多高熵合金中,AlNbZr系高熵合金因为良好的高温力学性能而得到人们的广泛关注。但是,研究表明该系合金往往在具有较高强度的同时却展示出了极低的塑韧性。因此开发兼具高强高韧的高温高熵合金成为亟待解决的难题。本文以Al、Nb、Zr三种元素作为基本组元,选取V、Ti、Fe、Mo等四种元素,以高熵合
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高熵合金新颖、独特的设计方式使其具有优异的力学性能,比如高强度、高硬度、优异的耐蚀性以及高温力学性能等。在众多高熵合金中,AlNbZr系高熵合金因为良好的高温力学性能而得到人们的广泛关注。但是,研究表明该系合金往往在具有较高强度的同时却展示出了极低的塑韧性。因此开发兼具高强高韧的高温高熵合金成为亟待解决的难题。本文以Al、Nb、Zr三种元素作为基本组元,选取V、Ti、Fe、Mo等四种元素,以高熵合金中固溶体相形成的经验准则与热力学相图软件Pandat相结合的方式设计并制备了Nb3 1Ti37-xZr26Al6Vx(x=3、5、7、9、11 at.%)和Nb38Mo27.8Al15.2Fe12.7Zr6.3(at.%)合金,通过XRD、SEM、阿基米德浮力天平、维氏硬度计、万能试验机和热模拟试验机等设备系统研究了V元素含量变化对Nb31Ti37-xZr26Al6Vx合金结构、微观组织、密度、硬度、室温及高温力学性能的影响。此外,还研究了热处理对Nb3 8Mo27.8Al15.2Fe12.7Zr6.3合金微观组织、硬度、耐蚀性能等的影响,得到如下主要结果:(1)使用真空电弧熔炼技术制备的Nb31Ti37-xZr26Al6Vx(x=3、5、7、9、11 at.%)系高熵合金均由简单体心立方结构固溶体组成,V元素含量的变化并没有导致第二相形成。根据合金锭与电弧炉铜模距离不同,在合金锭内分别形成等轴晶及树枝晶区域。(2)在Nb3 1Ti37-xZr26Al6Vx系高熵合金中,V元素含量的变化使得合金硬度、密度均有所增加,合金硬度从293 Hv增加到360 Hv,合金密度在6.23—6.36 g/cm3范围内变化。当压缩速率为1.0×10-3 s-1时,合金室温压缩应变大于50%。随着V含量增加,合金的室温压缩屈服强度增加,从951 MPa(x=3)上升到1139 MPa(x=11),提高了约19%。在850℃高温压缩时合金屈服强度仍然达到162 MPa(x=3)至248 MPa(x=3),且发现V元素的添加极大程度上抑制了合金高温软化性能。(3)使用真空电弧熔炼炉制备的Nb38Mo27.8Al15.2Fe12.7Zr6.3高熵合金由体心立方结构固溶体及部分Al Zr、Al2Mo3Nb3、Al5Mo等金属间化合物组成。纳米压痕硬度为22.350 GPa。合金呈现典型的树枝晶结构。树枝晶主要由熔点较高的Mo元素组成,树枝晶间的区域主要由Al、Zr、Fe等元素组成,而Nb元素在两种区域间含量相差较小。(4)相比于铸态组织,淬火后试样具有更多的固溶体相,SEM照片显示淬火后试样中树枝晶大小更为均匀。淬火和退火处理提高了合金的纳米压痕硬度,两种热处理后纳米压痕硬度分别为25.257 GPa和25.047 GPa。此外,在3.5 wt.%Na Cl溶液中腐蚀试验表明,淬火处理在提升合金固溶度的同时改善了合金的耐腐蚀性能,腐蚀电流密度为4.284×10-6 A/cm2。而退火处理虽然提高了合金的硬度,但降低了合金的耐腐蚀性能。
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