CrMnFeCoNiNbx高熵合金的高温氧化行为研究

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近几十年来,高熵合金凭借其独特的四大效应以及优异的高温性能吸引了海内外研究者们的关注,其高温氧化行为的研究无论在理论层面还是在实际中都有非常重要的意义。研究发现,CrMnFeCoNi系高熵合金的微观组织均为单一的FCC固溶体相,拥有优良的综合性能。Nb元素的加入使合金的硬度及屈服强度增强,且CrMnFeCoNiNbx高熵合金具有良好的热稳定性。本文采用不连续称重法、XRD、SEM 及 EDS 等手段研究了 CrMnFeCoNiNbx(x=0、0.1、0.25、0.5)系高熵合金在700℃、800℃和900℃下的高温氧化行为(空气环境下),分析了氧化温度和Nb含量对CrMnFeCoNiNbx高熵合金的高温抗氧化性能的影响,同时探究了 100h高温热处理对基体微观组织的影响规律。得到的主要结论如下:随着合金中Nb含量的增加,CrMnFeCoNiNbx高熵合金中有富Nb相析出,其相组成由FCC转变为FCC+Laves相,Nb促进了 Laves析出相的生成。合金分别在700℃、800℃和900℃高温氧化100h后,其基体中的相组成及其化学成分与铸态合金相差不大,但析出相会发生区域内偏聚、长大。随着温度升高,同一合金成分中的Laves相的相体积分数逐渐增大,析出相长大。在同一温度下,随着Nb含量的升高,Laves相的相体积分数在逐渐增大,且Nb含量对Laves相体积分数的影响要大于温度对其的影响。在空气中,CrMnFeCoNiNbx(x=0、0.1、0.25、0.5)合金在 700℃、800℃ 和900℃下主要发生Mn、Cr、Nb三种元素的氧化,并伴有少量的尖晶石型氧化物如NiCr2O4等。最外层氧化层均为富锰氧化层,在700℃和800℃时锰氧化物主要为Mn2O3,而900℃时主要为Mn304。氧化层从外向内,锰含量逐渐减少,铬含量逐渐增加,最里层氧化层铬含量最多。高温氧化后,含Nb合金会出现一条富Nb的氧化层,介于富Cr层和富Mn层中间,靠近基体。在900℃时,含Nb合金会有明显的内氧化现象,且都发生在富Nb析出相的附近。CrMnFeCoNiNbx(x=0、0.1、0.25、0.5)系高熵合金于 700℃、800℃和 900℃大气气氛下高温氧化100h后,其氧化增重与时间呈抛物线规律。按照瓦格纳理论计算得出了各合金的氧化速率常数及表观激活能。发现Nb0合金抗高温氧化性最差,在700℃和800℃下,合金属于抗氧化级别,但在900℃时其表面的氧化层大量脱落,抗氧化性能骤减。一定量的Nb元素可以使CrMnFeCoNiNbx系高熵合金的高温抗氧化性能大幅度提升,而过量的Nb元素会减弱合金的抗氧化性。综合得出合金的抗氧化性从强到弱依次为CrMnFeCoNiNb0.1、CrMnFeCoNiNb0.25、CrMnFeCoNiNb0.5 及 CrMnFeCoNi。
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