定向凝固对CuCrFeNiMn系多主元合金组织及力学性能的影响研究

作     者：邱明星 

作者单位：哈尔滨工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张中武;陈怀浩

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：多主元高熵合金 定向凝固 显微组织 力学性能 理论计算 

摘      要：在众多的合金领域中,多主元高熵合金是一个新兴起的领域,自2004年叶均蔚等人提出其合金设计理念后,引起了研究学者的广泛关注。多主元高熵合金通常由相等或接近等摩尔比的五个或更多个主元素及次要元素组成,是通过它们显著的相对高的混合熵产生新的固溶相。这种合金理念打破了传统合金设计模式,并通过元素选择,使其具有优异的性能。目前,多主元高熵合金的研究仍处于起步阶段,相关理论体系还需要继续完善。定向凝固技术能够有效降低合金成分偏析、组织疏松等铸造缺陷,消除横向晶界,进而改善合金的性能。然而,关于定向凝固高熵合金的研究很少,因此本论文采用定向凝固技术优化高熵合金性能。本文采用电弧熔炼制备CuCrFeNiMn系多主元合金,并采用定向凝固技术优化合金的性能,研究了不同抽拉速率(5μm/s,10μm/s,30μm/s,150μm/s)对合金显微结构及力学性能的影响。通过对合金元素选择,重点研究了Ti和Zr元素添加对CuCrFeNiMn多主元合金显微组织与力学性能的影响。另外,本文分别计算了各合金体系的混合熵(ΔS)、混合焓(ΔH)、原子尺寸差(δ)和价电子浓度参数(VEC),理论预测合金体系的相结构和稳定性。研究表明,CuCrFeNiMn合金铸态及定向凝固态下主要存在FCC晶体结构,定向凝固后,当抽拉速率(5μm/s,10μm/s)较低时,合金的(200)衍射峰明显增强,定向凝固低抽拉速率下合金可能形成了强的织构;在抽拉速率为30μm/s和150μm/s时(200)衍射峰的强度大大降低,(111)衍射峰的强度增加,高的抽拉速率使织构组分发生了变化。合金组织主要由枝晶和枝晶间区域组成,元素分析表明铸态下枝晶富含Cr、Fe元素,枝晶间富含Cu、Ni、Mn元素,定向凝固态后枝晶和枝晶间元素组分差异明显减小,合金成分趋于均匀化。定向凝固5μm/s时,合金的延伸率达到58%,在拉伸强度和屈服强度几乎保持不变情况下延伸率较铸态提高26%以上,随着抽拉速率增加到10μm/s,屈服强度有所下降而延伸率达到最大66%,继续增加抽拉速率时延伸率也开始下降。定向凝固后,随着抽拉速率的增加,硬度呈轻微下降的趋势,合金的断裂方式表现为韧性断裂。添加Ti元素后,铸态下CuCrFeNiMnTi高熵合金由FCC+少量BCC固溶体相组成,随着Ti含量的增加,CuCrFeNiMnTi高熵合金由FCC固溶体相、BCC固溶体相及NiTi金属间化合物组成。显微组织均为典型的树枝状结构,元素分析表明Ti元素在枝晶间偏析较严重。合金随着Ti含量的增加,硬度显著提高,CuCrFeNiMnTi合金硬度高达550.9 HV,由于金属间化合物的出现,使得合金出现硬脆现象。CuCrFeNiMnTi表现了较好的拉伸性能,屈服强度为311.82 MPa,抗拉强度达到720.75 MPa,延伸率为15%。定向凝固后,CuCrFeNiMnTi在30μm/s时的综合性能良好,拉伸强度为626.60 MPa,延伸率为18%,较铸态合金提高17%以上,合金的断裂方式为脆性断裂。尽管Ti添加后合金延伸率下降,但屈服强度和抗拉强度有很大提高。添加Zr元素后,CuCrFeNiMnZr(x=0.5、1.0)高熵合金的晶体结构主要为FCC+BCC晶体结构,与理论计算结果相吻合。显微组织为典型的树枝状结构,元素分析表明Zr元素在枝晶间偏析较严重。随着Zr含量的增加,晶格畸变加剧,合金中BCC固溶体相含量增加,FCC固溶体相减少,合金的硬度显著提高,CuCrFeNiMnZr硬度达到600.34 HV。该合金在拉伸过程中不发生塑性变形,在较小的应力值下就已发生脆性断裂。