FeCoNiCuxAlyTi0.5高熵合金的高温氧化行为研究

作     者：王乃鹏 

作者单位：东北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：庄艳歆

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：高熵合金 高温氧化 微观组织结构 氧化动力学 

摘      要：高熵合金由于高熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应和鸡尾酒效应而受到了广泛的关注,高熵效应和迟滞扩散效应使高熵合金具有良好的高温性能,其高温氧化行为的研究不论在高温氧化理论还是在实际应用中都有十分重要的意义。本文采用电弧熔炼法制备了 FeCoNiCuAlxTi0.5（x=0、0.2、0.5、1.0、1.5）高熵合金和FeCoNiAlTi0.5高熵合金。采用不连续称量法对上述合金进行700℃、800℃、900℃、1000℃,时间100h的高温氧化,采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜和能谱仪对氧化膜的形貌、结构和成分进行了分析,同时还分析了氧化前后合金基体组织结构的变化。探讨了合金的氧化机制及Al、Cu对合金抗氧化性能的影响,得出如下主要结论:随着Al含量的增加,FeCoNiCuAlxTi0.5高熵合金的抗氧化性能提高,当A1从0.5升至1.0时增加显著。随着氧化温度的升高,当x=0-0.5时,合金抗氧化性能下降较快,而当x=1.0-1.5时,合金的抗氧化性能下降较慢。当x=0-0.2时,合金的高温氧化行为相似,氧化层分为外氧化层和内氧化层,氧化层由外向内分布为:CuO→Co3O4→Fe3O4→TiO2+Al2O3,其中Fe3O4层最厚,而TiO2和Al2O3在内氧化层中混合生长;700℃氧化层表面只有CuO,800℃以上时为CuO和Co3O4。当x=0.5时,氧化膜表面形貌为枝晶状的CuO和枝晶间的Al2O3,随温度升高氧化膜表面逐渐被枝晶状CuO覆盖;氧化层分布为:CuO→CoFe2O4→TiO2+Al2O3（内氧化）。当x=1.0和1.5时,合金枝晶处为颗粒状的A12O3层,枝晶间为Al2O3和CuO的混合氧化物;Al1.0合金的氧化层分布为:多元素共存的混合氧化层→Al2O3和TiO2交替层→Al2O3层;Al1.5合金氧化层为完全的A12O3层;两合金氧化层均非常薄,且没有内氧化发生。随着Al元素的增加,铸态FeCoNiCuAlxTi0.5高熵合金由Fcc转变为Fcc+Bcc结构,合金由两相Fcc组织转变为Fcc枝晶+富（Al,Ti）的Bcc枝晶间组织,最后转变成Bcc枝晶+富Cu的Fcc枝晶间组织,Al促进了 Bcc相的形成。FeCoNiCuAlxTi0.5合金高温氧化100h后基体中会析出细小的富Cu相,随温度的升高,富Cu相尺寸逐渐变大;在x=0.2和0.5时,高温氧化后基体中还会析出细小的针状富AlTi相。FeCoNiAlTi0.5合金在700℃时为完全抗氧化级别,800℃-1000℃为抗氧化级别。铸态FeCoNiAlTi0.5合金为Bcc结构,合金组织为富Fe的枝晶相和富Al、Ni的枝晶间相,合金在枝晶上氧化形成CoFe2O4,在枝晶间形成很薄的Al2O3,随着温度升高,枝晶状的CoFe2O4逐渐覆盖整个合金表面。枝晶氧化区分为外氧化层和内氧化层,外氧化层为CoFe2O4,内氧化层为TiO2和Al2O3,其中TiO2富集在外侧,Al2O3富集在内侧。枝晶间氧化区为很薄的Al2O3层,且不发生内氧化。高温热处理后,合金基体中的枝晶间相消失,枝晶区域内析出细小的富Fe相,随温度升高,富Fe相尺寸逐渐增加。Cu的加入,使Al在合金中均匀分布,促使合金在高温氧化时生成Al2O3氧化层,提高了合金的抗氧化性能。