熔盐电解法制备CoCrFeNi高熵合金及其性能优化研究

作     者：罗翔宇 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：扈玫珑

授予年度：2022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：CoCrFeNi高熵合金 熔盐电解法 热压烧结 脱氧机理 性能优化 

摘      要：高熵合金作为近年来快速发展起来的新型金属材料,在晶体结构上倾向于形成简单的FCC或BCC固溶体相。其独特的晶体结构使得多主元高熵合金呈现出许多特殊的优异性能,如高强度,高室温韧性,以及优异的耐磨损、抗氧化、耐腐蚀和热稳定性等,在航空航天、深海探测、工业制造等领域有非常大的应用潜力。但目前高熵合金制备工艺多采用液相法制备,存在能耗高、低沸点金属易挥发、合金元素易偏析、产生缩松缩孔等问题。本研究提出熔盐电解法工艺直接电解金属氧化物混合物低温制备CoCrFeNi高熵合金的研究,探究了混合金属氧化物固相电解脱氧过程及合金化过程,在此基础上,通过添加金属元素、非金属元素、稀土元素及热处理等进一步优化了CoCrFeNi高熵合金的性能,拓展其应用范围。本文的主要结论如下:(1)可通过在900℃的Ca Cl熔盐中直接电解Co O、FeO、Ni O、CrO混合氧化物制备CoCrFeNi高熵合金。对CoCrFeNi高熵合金的脱氧历程研究,发现混合氧化物的脱氧过程是Co O、Ni O最先脱氧;之后,FeO转变为FeO后完成脱氧;最后,CrO与Ca反应生成Ca Cr O,Ca Cr O在熔盐中脱氧,重新生成Ca和Cr。脱氧的同时,体系中的金属也在不断合金化,最先生成Co Ni合金,之后生成Co Fe、Co Ni合金,然后生成Cr Fe合金,最后四种合金都全部转变为CoCrFeNi高熵合金。(2)稀土元素可改善CoCrFeNi高熵合金的力学性能。稀土元素Y添加到CoCrFeNi高熵合金中能显著改善合金的塑性。在Y的添加量为1%时,塑性大幅提升。Y含量达到5%,CoCrFeNi高熵合金中会析出NiY的第二相,硬度达到399 HV,比原始硬度提高58.3%。Nd添加到CoCrFeNi高熵合金后,能显著改善合金在Na Cl溶液中的耐腐蚀性能,含量在1%时,合金的耐腐蚀性能为最佳。Sc添加到CoCrFeNi高熵合金后,能够抑制合金中CrC的生成,合金的塑性增加、硬度下降。(3)非金属元素B能促使CoCrFeNi高熵合金中CrC分布更加均匀,当B的含量达到5%后,能够抑制CrC的生成。随着B不断固溶到高熵合金中,合金的晶格畸变程度不断加深,合金的硬度得到提高,B含量在5%时,合金的硬度达到378 HV,比原始硬度提升50%。非金属元素C添加到CoCrFeNi高熵合金,能促使合金中析出更多的CrC,而CrC作为硬质第二相,可显著提高合金的硬度。在C的添加量达到5%后,合金硬度达到382 HV,比原始硬度提升51.6%。(4)W、Nb两种金属元素都会抑制合金中CrC的生成,降低高熵合金的硬度,而W、Nb本身也会在合金组织中析出,也可提高合金的硬度。当W的添加量为1%时,合金的硬度最高,为315 HV,比没有添加W的CoCrFeNi高熵合金硬度提升25%。金属元素Nb对CoCrFeNi高熵合金硬度影响不大,添加量为1%时,合金的硬度为255 HV,没有添加Nb的CoCrFeNi高熵合金硬度为252 HV。(5)热处理对CoCrFeNi高熵合金塑性有一定的优化作用。热处理后,合金基体的内应力得到一定释放,使得合金的硬度下降,塑性得到提升。另一方面,热处理后,基体的晶格畸变程度降低,一些C原子从基体中析出与合金中Cr生成更多的CrC,使得合金的硬度得到提升。