【摘 要】
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随着现代科学技术的不断进步发展,航空航天以及核工业等对高温材料提出了更严峻的要求,以难熔金属为主的传统合金难以满足1300℃以上温度范围的高温性能要求,因此迫切需要开发更加优异的高温合金。高熵合金基于多组元的独特设计理念,颠覆了传统的合金设计理念,在高温领域展现出巨大的潜力。基于此,本文主要开发兼具高强度和优良塑性的难熔高熵合金。本文基于物相参数和固溶强化模型进行模拟计算,以Nb-Mo-Ta-W系
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随着现代科学技术的不断进步发展,航空航天以及核工业等对高温材料提出了更严峻的要求,以难熔金属为主的传统合金难以满足1300℃以上温度范围的高温性能要求,因此迫切需要开发更加优异的高温合金。高熵合金基于多组元的独特设计理念,颠覆了传统的合金设计理念,在高温领域展现出巨大的潜力。基于此,本文主要开发兼具高强度和优良塑性的难熔高熵合金。本文基于物相参数和固溶强化模型进行模拟计算,以Nb-Mo-Ta-W系难熔高熵合金为研究对象,开发出NbTaW0.5、NbTaW0.5Ti、NbTaW0.5Hf0.25三种具有优良塑性的高熵合金。在此基础上,通过添加陶瓷颗粒的方法引入碳元素,开发出第二相强化型的NbTaW0.5(Mo2C)x、NbTaW0.5TiCx、NbTaW0.5Hf0.25Cx系列合金,并对所有合金系进行1400℃/12 h的等温退火处理来研究合金的热稳定性。本文对铸态和退火态样品进行了晶体结构、力学性能、组织形貌及综合性能分析,研究发现:(1)随着陶瓷添加量的增加,NbTaW0.5(Mo2C)x系列铸态难熔高熵合金晶体结构由单相BCC转变为BCC+HCP双相结构,NbTaW0.5TiCx、NbTaW0.5Hf0.25Cx系列铸态合金由单相转变为BCC+FCC双相结构。经过1400℃/12 h的等温退火处理后,NbTaW0.5TiCx、NbTaW0.5Hf0.25Cx系列合金的相结构没有发生改变,而NbTaW0.5(Mo2C)x系列合金中新析出正交结构的碳化物。(2)由于样品通过电弧熔炼技术制备,所有合金整体均呈现明显的枝晶形貌。随着陶瓷添加量的增加,碳化物在枝晶间生成且体积分数逐渐增加,其中NbTaW0.5Hf0.25Cx合金在枝晶间形成非常明显的类共晶组织形貌。经过1400℃/12 h的等温退火处理,这三个合金系的组织形貌均发生明显的变化,NbTaW0.5(Mo2C)x系列合金在基体中新析出放射状的正交相碳化物;NbTaW0.5TiCx合金在基体和碳化物内分别析出二次FCC碳化物(以TiC为主)和二次BCC相(富Nb、Ta);NbTaW0.5Hf0.25Cx合金在基体上析出弥散分布的细小FCC碳化物(以Hf C为主)。(3)随着第二相体积分数的增多,这三个合金系的铸态和退火态的室温屈服强度和维氏硬度随之增加,除NbTaW0.5Hf0.25Cx以外其余两个系列合金的室温塑性下降明显。其中铸态和退火态NbTaW0.5(Mo2C)0.2合金的屈服强度分别为1615 MPa、1304 MPa,而断裂应变分别为13.6%、22.9%。而塑性明显更占优势(断裂应变均超过30%)的NbTaW0.5Hf0.25Cx系列合金的峰值屈服强度仍可达到1300 MPa以上。虽然NbTaW0.5TiCx合金的碳化物晶体类型与NbTaW0.5Hf0.25Cx系列合金相同,但是含Ti的合金中最终形成碳化物包裹着晶粒的组织形貌,不利于位错在晶粒间的传播,同时退火后二次析出相的形成均降低合金的塑性。(4)NbTaW0.5(Mo2C)x和NbTaW0.5Hf0.25Cx系列合金具有优异的高温性能。其中NbTaW0.5(Mo2C)0.2合金在1473 K和1673 K下的屈服强度分别为1026和697 MPa,NbTaW0.5Hf0.25C0.25在1273 K、1473 K和1673K下的屈服强度分别为868 MPa、792 MPa、749 MPa,远超目前所报道的难熔高熵合金。该系列合金具有如此优异的强度强烈的依赖于第二相强化的贡献。尽管这两个系列合金在退火处理后发生组织形貌变化,但合金仍具有优异的性能稳定性,在高温合金领域具有强大的优势。此外,NbTaW0.5(Mo2C)0.1、NbTaW0.5Hf0.25C0.15合金虽然牺牲部分高温强度,但有着更加优异的室温塑性(分别为37%、39.7%),同样有着巨大的应用潜力。
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