AlCrCoFeNiMoTiSi 高熵合金微观组织分析.doc

1、AlCrCoFeNiMoTiSi 高熵合金微观组织分析摘要：自从多主元高熵合金出现以来，以它独特的性能突破了传统合金只以一种或两种金属元素为主的设计框架，从而开辟了合金材料世界的新领域。多主元高熵合金是以五种或五种以上主要元素按等摩尔比或近等摩尔比经熔炼、烧结或其他方法组合而成具有金属特性的材料。本论文选取AI、Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti、Si八种常用的金属元素，通过改变热处理工艺研究该系列合金的微观组织的变化规律。采用氩气保护真空电弧炉熔炼合金，运用金相显微镜、SEM、XRD等手段对铸态高熵合金进行微观组织的分析。研究发现：该合金系都形成了简单的BCC、FCC及BCC+FCC结构固溶

2、体，性能具有一定的优越性，热处理工艺对高熵合金的微观组织有着较强的影响，对加强合金耐腐蚀性、耐磨以及硬度起着十分重要的作用，发展应用前景十分广阔。关键词：高熵合金,微观组织,性能The microstructure study of AlCrCoFeNiMoTixSiy High-entropy alloysAbstract: Since many main folding Jinyuan high entropy, design framework with its unique performance breaks through the traditional alloy in only

3、 one or twokinds of metal elements, thus opening up a new field of alloy material world.Multi principal element high entropy alloy with five or more than five kinds ofmain elements in equimolar ratio or near equimolar ratio by the combination ofmelting, sintering or other methods and has the charact

4、eristics of metalmaterials This paper selects AI, Cr, Co, Fe, Ni, Mo, Ti, Si eight kinds of metal elements in common use, variation of the alloy microstructure through heat treatment technology research. Using argon vacuum arc furnace smelting alloy, analyzed by metallographic microscope, SEM, XRD a

5、nd other means of microstructureof as cast high entropy alloys.The study found: the alloy formation of BCC, FCC and BCC+FCC has the advantages of simple structure solid solution, performance has certain advantages, has a strong influence of heat treatment process on themicrostructure of high entropy

6、 alloys, to strengthen the alloy corrosion resistance, wear resistance and hardness plays a very important role in the development, application prospects.Keywords: High-entropy alloys, microstructure, propertiesI目录 1.绪论41.1概述41.2选题背景、研究的目的和意义41.3本课题研究的主要内容62.文献综述82.1多主元高熵合金的定义82.1.1固溶体混合熵82.1.2高熵合金的

7、界定92.2高熵合金的制备方法112.2.1电弧熔炼+铜模铸造法112.2.2高频感应炉加热熔炼112.2.3其他熔炼方法122.3高熵合金的特点及性能122.4多主元效应132.4.1高熵效应142.4.2 晶格畸变效应142.4.3缓慢扩散效应152.4 鸡尾酒效应152.5高熵合金的应用领域153.试验方法和步骤193.1合金的成分设计193.2合金试样的制备203.2.1 合金试样的制备203.2.2合金试样的切割223.2.3合金试样的打磨及抛光233.2.4合金试样的镶嵌243.3合金的组织结构分析253.3.1金相照片的拍摄254. AlCrCoFeNiMoTiSi高熵合金的微观

8、组织结构研究264.1高熵合金的微观组织结构研究274.1.1金相照片274.1.2 AlCrCoFeNiMoTiSi高熵合金的微观组织结构研究284.1.3 X-ray衍射实验294.1.4 扫描电镜分析314.2微观组织的规律分析324.2.1金相组织规律分析324.2.2衍射实验规律分析334.2.3电镜扫描规律分析335.总结与展望345.1总结345.2 展望34I参考文献35致谢38I第1章 绪论1.1概述 自从多主元高熵合金出现以来，它以独特的性能突破了传统合金只以一种或两种金属元素为主的设计框架，从而开辟了合金材料世界的新领域。多主元高熵合金是以五种或五种以上主要元素按等摩尔比

9、或近等摩尔比经熔炼、烧结或其他方法组合而成具有金属特性的材料。高熵合金元素的增多从而使合金产生高熵效应，相应的晶体结构倾向于形成简单体心或简单面心结构，同时可能伴有晶间化合物生成，甚至在铸态就会析出纳米晶，从而起到固溶强化、沉淀强化和弥散强化效果，使高熵合金的性能比传统合金具有较大优势。 髙熵合金在晶体结构及各种性质上和传统合金有极大的差异，主要包括一下几个方面：(1)不但能形成简单的BCC和FCC结构甚至易产生纳米相和无序的非晶相；(2)具有良好的热稳定性；(3)极高的硬度、温室强度和良好的塑性变形能力;(4)优越的耐腐蚀和耐磨性能。一般来说，传统概念的固溶体特性是具有较好的塑性变形能力，但

10、硬度和强度较低，通常只能作为基体相。而基于多主元构成髙熵合金形成的固溶体有着较高的强度和硬度，甚至高于非晶合金的强度，同时还具有良好的热稳定性和耐磨耐蚀特性，为新型结构材料的设计提供了丰富的空间。髙熵合金的性能比传统合金具有较大的优越性，但对髙熵合金热处理工艺的不同，其力学性能，微观组织结构也会有所变化，故研究髙熵合金具体元素的特性也是很有必要，本文就以AlCrCoFeNiMoTiSi为例，研究不同热处理工艺对此髙熵合金力学性能所产生的影响。1.2选题背景、研究的目的和意义现代工业的发展离不开先进材料的支撑，工业发展的越快越先进对材料的要求就会越来越高。工业革命的历史告诉我们，工业革命的发生总

11、是少不了材料领域的推动力。任何新的技术成就，莫不仰赖于各种相互匹配的新型材料，而新型材料中金属材料是其重要的一个方面，例如航空、航天工业所需的高温合金，核工业的核燃料、核反应堆材料，现代信息技术使用的硅、锗等半导体材料、新型磁性材料等。由于这些新技术的发展又推动研制新的材料品种和发展新的冶金生产工艺和装备。由此可见，金属材料的开发和研究是奠定科学技术的基础。 随着工业发展的迫切要求，传统合金在特性上已经达到相当高的境界，但是仍然无法满足设计的需求，所以近年来，有更多的努力欲寻求突破，开发出了一些新的材料。如介金属材料、金属基复合材料、金属玻璃和无铅焊锡等。 介金属材料主要为：NiAl、Ni3A

12、1、Ti3Al、TiA1、FeAl、Fe3Al等。这种材料具有高刚性密度比、高温强度密度比以及抗氧化性能，但是它的延性和韧性都极差，因此开发了近20年，尚未能有具体突破，仅有极少量的应用；金属基复合材料是以Al、Ti、Ni为基材，氧化物及碳化物为强化相复合而成的金属材料。它具有高刚性、耐温性和耐磨性的优点，但是也有极为明显的缺点，如它的强化相难以均匀分布、含孔洞、低韧性，使用可靠度也比较低，因此未能取代钛合金及其他结构材料；金属玻璃和无铅焊锡也由于存在这样或那样的不足，未能大量使用于实际。 自从传统合金材料问世以来，我们都在传统合金观念下配制合金、开发其工业、研究其微观组织结构性能以及开发应用

13、，无形中也就限制了合金发展的自由度及空间。究其原因，主要是因为在传统合金观念下，虽然可以添加少量合金元素来提高和改善材料性能，但如果合金中成分过多，会产生金属间化合物和复杂相，导致合金性能恶化；也给材料的组织、成分分析以及材料的性能控制带来极大的困难。 传统合金材料的禁锢，使得金属材料的发展似乎钻进了一条死胡同，能够做出的突破越来越少，与日新月异的科技发展速度越来越不匹配。因此解放思想，打破桎梏，成为了新型金属材料研究的新课题。 从合金材料问世以来，材料工作者们完成了三次重大突破，即：多元素大块非晶合金、多功能的超弹塑性合金以及纳米结构的高熵合金的制备。高熵合金是以中国台湾国立清华大学以叶均蔚

14、为首的学者们，通过多元素大块非晶合金的研究，首先跳出了传统合金的狭窄理念，于1996年提出新的合金设计理念，高熵合金从此出现在了世人的面前。作为三种新型材料之中最后提出来的高熵合金，目前可以说是一块尚未开发的全新领域。但毫无疑问的，这是一个极具学术研究价值及工业发展潜力的高新科技，通过研究该项科技，可研发出大量实用和高技术含量的新型金属材料。通过试验研究发现，高熵合金地制备，除了可以使用传统金属的加工工艺以外，还可以利用速凝法、机械合金制备。通过这2种方法所制备的高熵合金，其微观组织更倾向于形成纳米晶颗粒或是非晶结构。与传统合金相比，高熵合金在以下特性中拥有更好的表现：(1) 高硬度和良好的韧

15、性；(2) 良好的耐腐蚀性和耐磨性；(3) 较高的耐温性和回火抗性；(4) 良好的加工硬化性能。因此，高熵合金可以作为工程材料中多种其他合金的替代材料使用。高熵合金的性能比传统合金具有较大优越性，但其微观组织和性能机理有待研究。开展这方面的工作，对于开发新型高熵合金材料，促进高熵合金在工业上的应用，具有十分重要的经济价值和社会价值。我们坚信对高熵合金的不懈的研究，一定会开辟材料世界的新领域，进而推动下一次工业革命的尽快发生，加快人类文明的脚步。1.3本课题研究的主要内容髙熵合金的研究成果现在还处在初级阶段，无论是从理论上，还是从具体实验的设置及结果上，所出的成果还是很少的。人们对髙熵合金的合金化过程机理及其涉及到的诸多科学问题，基本上还没有很好的认识和解释。对于怎么样选择合金的元素种类，也没有科学的依据可循。此外，对髙熵合金凝固后的微观组织结构、相的成分与合金的机械性能、物理性能和化学性能之间的关系，也没有找到其间的规律性。因此有待于开展这方面的研究工作，探索其组织和性能的形成机理及其影响规律。选取Al-Cr-Co-Fe-Ni-Mo-Ti-Si系列合金，研究热处理工艺对AlCrCoFeNiMoTiSi八主元合金的组织的影响。原材料为高纯度（99.5%）