CoFeNiAl系共晶高熵合金设计及其组织性能研究

作     者：吕永飞 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王雷;范玉虎

授予年度：2024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：共晶高熵合金的设计 Al18.5Co31.5Fe18.5Ni31.5 双相层片 微观组织 力学性能 

摘      要：高熵合金(HEA)有着高强度、高塑性、耐腐蚀性等优异的综合性能,根据不同的性能倾向可以服役于各种极端环境,是目前工业发展不可或缺的材料之一,具有较高的工业和经济价值。然而随着材料性能要求的发展,单相高熵合金的性能缺陷阻碍了高熵合金的发展。共晶高熵合金(EHEA)因其优异的熔覆性、流动性以及高强度和塑性协同性而受到研究者的关注。但是高熵合金高熵、多主元等独特的特点,使得目前缺少有效的方法直接定位一种新的共晶高熵合金。目前主要是通过计算、模拟等定性的方法确定共晶高熵合金成分,试错成本较大。因此通过简单有效的方式筛选出EHEA有着重大意义。 本文通过元素分组法和软件模拟成功设计了一种具有FCC+BCC双相层片状共晶高熵合金。并采用合理的变形和时效的方式提高了铸态EHEA的综合力学性能,同时研究了这种EHEA的微观形貌和变形机制。 首先通过JMatPro软件模拟和元素分组法计算CoFeNiAl系EHEA凝固路径并预测共晶成分点。通过实验验证Al18.5Co31.5Fe18.5Ni31.5是组织为全共晶组织的双相EHEA。其微观组织由规则共晶、径向发散、网状三种共晶结构组成。同时L12结构的CoFeNi相和B2结构的NiAl相呈片层相间排列。在室温拉伸条件下屈服强度为571±15MPa,极限抗拉强度为975±5MPa,塑性为6.9±0.3%。试样拉伸断裂后,试样侧面有许多垂直拉伸方向和与拉伸方向呈45°的夹角的剪切带,裂纹主要起源于两相界面剥离和胞界。拉伸断口以沟槽状组织为主。位错强化是优异力学性能的主要原因。 随后对铸态Al18.5Co31.5Fe18.5Ni31.5通过滴铸的冷却凝固方式均匀组织,使用冷轧变形加时效处理的方式调控Al18.5Co31.5Fe18.5Ni31.5的组织来提高强度。滴铸态合金和CRA-650依旧是FCC和BCC双相组成,CRA-650继承了铸态合金的共晶结构,双相发生了不同程度的再结晶,在网状区域两相完全再结晶,晶粒交替分布,部分规则区域,两相保持层片继承。还有一些区域的两相层片中FCC相主要发生再结晶。FCC相晶粒平均尺寸约为0.50μm,BCC相晶粒平均尺寸约为0.58μm。同时,FCC相再结晶晶粒中析出了 L12沉淀物。CRA-650的KAM值高于滴铸态,FCC相位错密度高于BCC相。CRA-650侧面几乎没有剪切带的出现,但是裂纹起源同样来自于共晶胞界和界面剥离。拉伸断口主要由细长的韧窝组成,沟槽组织被变形加时效工艺所破坏。CRA-650样品的屈服强度提高至1231±8MPa,极限抗拉强度为1474±18MPa,塑性为7.8±0.3%。其性能强化的主要原因是背应力(HDI)强化。