合金元素Mo对高熵合金材料微观组织影响规律.doc

1、 合金元素Mo对高熵合金材料微观组织影响规律 摘 要:传统合金的发展经验认为，组成合金的金属元素多于5种之后，会形成诸多结构复杂的脆性金属间化合物，恶化合金性能。然而近年来，研究者们发现，将5种或5种以上的金属元素按等摩尔比或近等摩尔比混合在一起，不区分主要元素，熔炼得到的合金具有显微结构简化、不倾向于出现金属间化合物、具有纳米析出物与非晶质结构等结构特征，具有高强度、高硬度、耐回火软化、耐磨等性能特性1。现有传统合金还没有哪种合金可以同时具备以上优异性能。本论文选取Al、Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti、Si不种常用的金属元素，通过改变元素Mo的摩尔含量研究该系列合金的微观组织的变化规律。

2、采用氩气保护真空电弧炉熔炼合金，运用显微金相照相仪等手段对铸态高熵合金进行微观组织的分析。关键词： 高熵合金， 热处理， 微观组织Mo alloy elements on the microstructure of high entropy alloys are studied ABSTRACT ：Of the development experience of traditional alloy alloy metal elements more, can form many complex brittle intermetallic compound, alloy worse perfor

3、mance. In recent years, however, the researchers found that five or more than 5 kinds of metal elements in such as mole ratio or nearly mole ratio of mixed together, do not distinguish between the main elements, melting of alloy microstructure with simple, dont tend to appear intermetallic compound,

4、 with precipitation And amorphous structure, the structure characteristics, such as high strength, high hardness, temper softening resistance, abrasion resistance and other performance characteristics1. Existing traditional alloy is not what kind of alloy can have more excellent performance at the s

5、ame time. This paper select Al, Cr, Co, Fe, Ni, Mo, Ti, Si not common metal elements, by changing the element Mo molar content of study the change rule of microstructure of the alloy series. With argon gas protection vacuum arc furnace smelting alloy, using microscopic metallographic camera device,

6、the analysis of scanning electron microscopy (sem) such as analysis of as-cast microstructure of high entropy alloys.Keywords: high entropy alloys ， overheating treatment ，microstructure第 II页 共 页 目 录1 绪论11.1 概述11.2 选题的背景、研究的目的和意义11.3 高熵合金的发展概况31.4 高熵合金及理论依据41.4.1 高熵合金的定义41.4.2 高熵合金理论依据51.5 高熵合金的特点与性

7、能61.5.1 特点61.5.2 性能71.6 高熵合金的应用领域101.7 高熵合金研究现阶段存在的问题131.8 本课题研究的主要内容131.9 小结142 试验方法及步骤142.1 高熵合金的制备方法152.1.1 真空电弧炉熔炼152.1.2 高频感应炉加热熔炼172.1.3 激光熔覆技术172.1.4 高频感应熔覆加热技术172.1.5 磁控溅射技术182.1.6 热喷涂技术182.2 合金的成分设计182.2.1 合金的成分设计182.2.2 高熵合金组织结构的影响因素192.3 试样的制备202.3.1 原料的称重202.3.2 高熵合金试样的熔炼212.3.3 试样的镶嵌232

8、.3.4 试样的抛光242.4 金相分析252.4.1试验机机构介绍252.4.2 金相图282.5 小结293 AlCrCoFeNiMoTiSi 高熵合金微观组织的结构分析303.1 多主元效应303.2 实验数据的分析314 结论34参考文献35致谢37第 页 共 页 1 绪论1.1 概述 高熵合金的提出是基于20 世纪90 年代大块非晶合金的研发，高熵合金合金元素数目n5，其中每个主要元素原子百分含量皆不超过35%，因此高熵合金不像传统合金有一个含量大于50%的元素。由于传统合金以一种或两种金属为主要组元， 并通过添加其他合金元素而形成，因此合金的结构、性能受限于主元素。高熵合金的出现打

9、破这一局限，不再采用以单一组元为主， 而采用多种主要元素的方式制备合金2。主要元素的增多使合金产生高熵效应，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。 研究发现, 高熵合金因具有较高的熵值和原子不易扩散的特性, 容易获得热稳定性高的固溶相和纳米结构, 甚至非晶结构, 不同的合金具有不同的特性, 其表现优于传统合金。多主元高熵合金是一个可合成、可加工、可分析、可应用的新合金世界。高熵合金的元素种类不同，其力学性能，微观组织结构也会有所变化，故研究高熵合金具体元素

10、的特性也是很有必要，具有很高的学术研究价值和很大的工业发展潜力3。本文以AlCrCoFeNiMoTiSi八主元的高熵合金为例，研究元素Mo对高熵合金材料的微观组织的影响规律。1.2 选题的背景、研究的目的和意义 材料、信息、能源被称为现代科学技术的三大支柱，而材料又是一切技术发展的物质基础。任何新的技术成就，莫不依赖与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方面。例如航天、航空工业所需要的高温合金，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有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

11、是科学技术的一个基本领域。传统合金系统约有30种，其在特性上已经达到相当高的境界，但在许多方面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、Ni3A1、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

12、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。 高熵合金被认为是最近几十年来合金化理论的三大突破之一 , 是一个可合成、分析、控制的合金新世界, 可用来开发大量的高技术材料, 而且适用于传统的加工工艺。传统合金发展到20 世纪末已经趋于成熟及饱和，在这一框架内，很难再创造新的合金系统。高熵合金作为传统合金以外的合金世界， 高熵效应使其微结构趋于简单化； 迟缓扩散效应促进其纳米化和非晶化；鸡尾酒效应带来多元化，使高熵合金的系统构架远超过传统合金。多主元高熵合金表现出与传统合金不同的特性，而且

13、通过不同的元素搭配可获得种类繁多的新型合金，因此具有丰富的应用潜能和广阔的应用前景。然而，目前对高熵合金形成过程的机理研究仍较少。实际上现有的一些高熵合金体系也只是通过所谓“鸡尾酒”式的方法调配而成，相关研究大多集中于高熵合金的微观组织及硬度、耐磨性、耐蚀性，还没有形成指导合金元素选择的科学理论。学者们还需进一步研究高熵合金的微观组织结构，进行相分析及电化学性能、磁性能的测定，以建立合金元素选择理论、凝固结晶理论以及热处理理论等4。 目前制备高熵合金的方法主要有熔铸法、粉末冶金法。随着研究的深入进行，一些新的方法如真空镀膜法也可用来制备高熵合金。高熵合金为21 世纪提供了一个崭新的研究领域。虽

14、然目前对高熵合金多元体系研究还相对较少，而且研究表明，还有一些其他方面会对高熵合金性能产生显著影响。所以对高熵合金的合金化过程机理的研究也相对较少。但高熵合金在学术上前瞻性及应用潜力的多元化足以为其提供无数的机会和挑战。多组元高熵合金的设计自由度很大,可选择的合金元素多种多样. 利用这些元素不但可配成同类或异类不同元素、不同特性的多组元高熵合金,还可添加微量元素(包括类金属元素如C, Si等)以改善合金的组织与性能.高熵合金拥有很多优异的特性, 并可通过适当的成分设计进行强化.高熵合金的实际应用除可利用其良好的力学性能外, 还可利用其光学、电学和磁学等各种物理、化学特性1。 目前高熵合金的研究

15、还在起步阶段,从2004 年至今, 尚未获得具有实际用途的新合金。现有工作已经证明: 高熵合金作为一个新兴的材料研究天地, 它不但是一个可合成、加工、分析和应用的新合金世界, 也是一个具有很高学术研究价值以及工业发展潜力的丰富宝藏.同时传统合金工业的升级及高科技产业的发展也将为高熵合金开辟广阔的发展空间, 对传统冶金和钢铁行业的提升和社会价值的创造具有重要意义。1.3 高熵合金的发展概况 人们通常根据材料的使用, 将人类生活的时代划分为石器时代、青铜器时代、铁器时代, 由此可见, 金属材料的发展对人类文明有着极大的影响。而今, 随着航空、航天、电子、通信等技术以及机械、化工、能源等工业的发展, 对材料的性能提出越来越高、越来越多的要求, 传统的单一材料已不能满足使用要求, 于是人类跨入了人工合成材料的新时代, 其中, 金属材料由原来的纯金属发展为合成金属。合金是由n 种金属或金属与非金属, 经熔炼、烧结或其他方法组合而成具有金属特性的材料。目前, 人类已开发使用的实用合