【摘 要】
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基于高熵合金多主元的自由设计理念,通过调控成分可以实现不同性能的匹配,这为高活性兼具力学特性的含能高熵合金的设计提供了重大契机。含能高熵合金可具备高释能、高强高硬、利于加工的的特点,能够克服含Al型含能复合材料的低强度及Zr基非晶合金低热导率等问题,有望成为传统含能结构材料的替代品。然而,由于其成分复杂且不同组元之间熔点的巨大差异,高熵合金铸锭内部常存在明显的偏析、缩孔、裂纹等铸造缺陷,使得较大尺
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基于高熵合金多主元的自由设计理念,通过调控成分可以实现不同性能的匹配,这为高活性兼具力学特性的含能高熵合金的设计提供了重大契机。含能高熵合金可具备高释能、高强高硬、利于加工的的特点,能够克服含Al型含能复合材料的低强度及Zr基非晶合金低热导率等问题,有望成为传统含能结构材料的替代品。然而,由于其成分复杂且不同组元之间熔点的巨大差异,高熵合金铸锭内部常存在明显的偏析、缩孔、裂纹等铸造缺陷,使得较大尺寸高熵合金制备极其困难。基于此背景,本研究提出采用金属构筑成形技术实现较大尺寸AlNbTi3VZr1.5含能高熵合金的制备,首先探究AlNbTi3VZr1.5高熵合金的热变形行为和保温处理工艺,阐明其高温变形机制及保温组织结构演变,并基于此进一步开展AlNbTi3VZr1.5高熵合金的构筑成形连接,阐明界面微观组织演变规律,实现了AlNbTi3VZr1.5高熵合金中试件的研制,初步明确大尺寸含能高熵合金构筑成形制备工艺。本论文的主要内容及结论如下:(1)研究了新型AlNbTi3VZr1.5难熔高熵合金在温度1100-1250℃和应变速率1 0-3 s-1-1 s-1的高温变形行为。应力应变曲线存在屈服点下降现象,这可能是有序结构遭到破坏或者位错脱钉所致;不连续动态再结晶(DDRX)是该高熵合金高温变形的典型特征,最佳热加工区间位于1200-1250 ℃/10-0.75-1 s-1;随着温度的升高和应变速率的降低,DRX晶粒的平均尺寸和体积分数都增加,即Z参数减小,位错累积被释放,位错的回复明显发生,导致局部取向差减少。(2)研究了AlNbTi3VZr1.5高熵合金600-1200℃保温1 h的组织和力学性能。AlNbTi3VZr1.5基体为完全有序的B2相结构,600℃和800℃保温温度下有含Al析出相生成,在800℃时效处理后分别析出了沿晶界附近分布的针状ZrAlV相和分布于晶界和晶内的颗粒状Al3Zr相,尺寸与含量均大于600℃保温温度的析出相,导致800℃温度合金在室温压缩过程中较早地达到压溃阶段,压溃行为与基体中不共格的脆性析出相有关。其中800℃保温后合金基体硬度有所下降,这可能是由于大量含Al析出相的形成使得基体Al固溶降低所引起。当在1000℃保温处理后,析出相完全固溶,室温压缩屈服强度和显微硬度较铸态合金有所提高同时不损失塑性,晶体结构由完全有序转变为有序的B2相基体+连续的网状BCC相。温度升高至1200℃后合金发生“相反转”,使得BCC相被分隔开而B2相呈连续分布,强塑性较1000℃均有所提升。发生“相反转”的驱动力是系统弹性应变能的降低和界面能的减少。(3)进一步研究了AlNbTi3VZr1.5高熵合金的构筑连接行为。在1200℃的构筑连接界面愈合效果最好,并于此温度下实现中试件的研制,验证了构筑成形技术制备大型含能高熵合金的潜力。当在较低温度(800~1100℃)下的构筑连接时,界面会析出Al3Zr5金属间化合物而阻碍界面连接,随温度升高后连接界面处的析出相逐渐减少,与此同时,晶界迁移速率加快,原始界面很容易发生迁移跨越界面实现完全愈合。800℃和1000℃的界面再结晶机制主要为连续动态再结晶,而在1100℃和1200℃的界面主要发生不连续动态再结晶,变形量和温度的提高有助于界面结合。接头拉伸实验结果表明AlNbTi3VZr1.5高熵合金呈脆性断裂,断口位于基体处,这表明其结合界面可实现良好结合,界面组织性能可达到与基体一致的水平。
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