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亚快速凝固Fe-Co-Cr-Ni-Al-M高熵合金的形成及力学性能研究

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亚快速凝固Fe-Co-Cr-Ni-Al-M高熵合金的形成及力学性能研究

作者：王伟郑州大学

学位级别：硕士

高熵合金因其独特的相形成规律和优异的力学性能成为金属材料研究领域的热点。研究显示,在常规凝固条件下具有以粗大FCC枝晶为主的FCC+BCC复相结构的FeCoCrNiAl高熵合金,可以在快速凝固条件下生成B2相弥散的BCC固溶体结构。可以推知,这... 详细信息

高熵合金因其独特的相形成规律和优异的力学性能成为金属材料研究领域的热点。研究显示,在常规凝固条件下具有以粗大FCC枝晶为主的FCC+BCC复相结构的FeCoCrNiAl高熵合金,可以在快速凝固条件下生成B2相弥散的BCC固溶体结构。可以推知,这种BCC固溶体结构可能具有显著的亚稳特性,因而在亚快速凝固条件下存在发生相变的可能,并有望基于此实现高熵合金力学性能的大幅提升,而目前对于该方面的研究尚较为缺乏。因此,本文以Fe-Co-Cr-Ni-Al-M(M为合金元素)系高熵合金作为研究对象,在亚快速凝固条件下设计并制备了FeCoCrNiAl、FeCoCrNiAlNb(x=0.06～0.24)以及FeCoCrNiAlMo(x=0.1～0.3)高熵合金,系统研究了冷却速率和Nb及Mo微合金化对亚快速凝固FeCoCrNiAl高熵合金微观结构和力学性能的影响。研究结果如下:1、通过铜模铸造方法制备了冷却速率为～250 K/s、～111.1 K/s、～40 K/s及～20.4 K/s的亚快速凝固FeCoCrNiAl高熵合金(对应铸造直径分别为2 mm、3mm、5 mm及7 mm),并系统地讨论了冷却速率对相形成机制、微观结构和力学性能的影响。研究发现,亚快速凝固FeCoCrNiAl高熵合金在凝固及随后的冷却过程中,形成复杂的FCC+BCC超细复相结构,两相的取向关系接近K-S和N-W关系,推测可能与BCC→FCC固态相变相关。FCC相的形成和冷却速率有紧密的关系,冷却速率越高,合金中的FCC相含量越少,组织越细小。在该合金中,冷却速率与强度和硬度呈正相关。2、基于对FeCoCrNiAl高熵合金的研究,通过Nb微合金化,设计并制备了冷却速率～111.1 K/s的亚快速凝固FeCoCrNiAlNb高熵合金,并研究了该元素对相形成机制、微观结构和力学性能的影响。研究发现,相较于相同亚快速凝固条件制备的未添加Nb元素的FeCoCrNiAl高熵合金,FeCoCrNiAlNb高熵合金的微观结构更加丰富,其FCC相和BCC相均为细枝晶状,晶间存在亚微米级的富Nb区,而通过透射电镜发现其中存在复杂的超细/纳米晶结构。上述结果意味着添加Nb元素在高熵合金中起到两方面的作用,一方面改变了相变机制,另一方面诱导生成了细晶-超细晶-纳米晶多级结构。这种结果使其力学性能相较于FeCoCrNiAl有大幅度的提升。随后,通过研究不同冷却速率对FeCoCrNiAlNb高熵合金的相形成机制及其对微观结构和力学性能的影响,发现亚快速凝固制备的FeCoCrNiAlNb高熵合金,随着冷却速率的增加,组织结构细化,力学性能有一定程度的提升,当冷却速率从～40 K/s提升至～250 K/s时,其屈服强度从～950 MPa提升到～1500 MPa,维氏硬度从～515 HV提高到～600HV,塑性从～33%增加至～38%。最后,研究了Nb元素含量对亚快速凝固FeCoCrNiAlNb高熵合金微观结构及性能的影响。研究发现,不同Nb元素含量的FeCoCrNiAlNb高熵合金其微观结构和力学性能有着明显的差异。随着Nb元素含量的增加,组织结构细化,富Nb相增多,BCC相比例分数增加,同时强度提高,塑性变差。随着x值从0.06提升至0.24,该系高熵合金的屈服强度从～1000 MPa提升到～2000 MPa,维氏硬度从～480 HV提升到～660 HV,但塑性随着Nb含量的升高而下降。在这项工作中,微量Nb元素不仅促进了BCC相中组织的细化,还导致富Nb相的产生,并显著影响了相变路径。3、基于前文研究,通过Mo元素微合金化,设计和制备了冷却速率～111.1 K/s的亚快速凝固FeCoCrNiAlMo高熵合金,并探讨了微量Mo元素添加对FeCoCrNiAl高熵合金相形成机制、微观组织和力学性能的影响。结果表明,Mo元素的添加能够细化组织并提升力学性能。其中的FCC和BCC相取向关系接近K-S关系。通过进一步研究冷却速率对FeCoCrNiAlMo微观结构及性能的影响,发现随着冷却速率的增加,屈服强度和硬度大幅度提高,当冷却速率从从～40 K/s提升至～250 K/s时,分别从～1000 MPa增加到～1700 MPa和从～530HV增加到～620 HV。最后,研究了不同Mo元素含量的亚快速凝固FeCoCrNiAlMo(x=0.1和0.3)的微观结构和力学性能。结果显示,随着Mo元素含量的增加,组织结构细化,BCC相增多,FCC和BCC两相取向关系趋向于K-S关系,屈服强度和硬度均有所提高,而塑性显著下降。

关键词：亚快速凝固高熵合金亚稳态固态相变组织结构力学性能

亚快速凝固Mg7Zn3Y(-Zr)合金的组织演化及凝固动力学

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稀有金属材料与工程 2008年第7期37卷 1157-1162页

作者：朱世杰杨卿白小波王利国关绍康郑州大学河南郑州450002 日本静冈大学工学部日本浜松市432-8561

研究了亚快速凝固Mg7Zn3Y(-Zr)合金的组织特征及凝固行为。亚快速凝固合金由α-Mg固溶体和在晶界处呈网状分布的三元化合物相组成,包含α-Mg,Mg3Y2Zn3和Mg3YZn6相,没有常规凝固合金中"鱼骨状"层片共晶组织,亚快速凝固合金的晶粒尺寸显... 详细信息

研究了亚快速凝固Mg7Zn3Y(-Zr)合金的组织特征及凝固行为。亚快速凝固合金由α-Mg固溶体和在晶界处呈网状分布的三元化合物相组成,包含α-Mg,Mg3Y2Zn3和Mg3YZn6相,没有常规凝固合金中"鱼骨状"层片共晶组织,亚快速凝固合金的晶粒尺寸显著减小。Zr使常规凝固合金的晶粒明显细化,而亚快速凝固使Zr的细化作用被抑制,α-Mg基体的形态由树枝状趋于等轴化。提高冷速或加Zr没有改变合金的相组成,但亚快速凝固合金增加了Mg3Y2Zn3和Mg3YZn6相的总量。结合瞬态形核理论和稳态形核及生长理论,探讨了合金在亚快速凝固条件下的相选择及凝固动力学。

关键词：亚快速凝固 Mg7Zn3Y(-Zr) 相选择凝固动力学

亚快速凝固下磷对铁素体体积分数与形态的影响

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东北大学学报（自然科学版） 2014年第1期35卷 47-50页

作者：邱以清刘振宇李娜王国栋东北大学轧制技术及连轧自动化国家实验室辽宁沈阳110819

通过金相组织观察,分析了不同磷含量双辊连铸薄带中的铁素体.实验结果表明,与同样磷含量的铸锭相比,铸带中的铁素体体积分数明显增大;对于同一个铸带,表层内铁素体体积分数小于中心区域,且磷含量越低表层内铁素体体积分数越小;随着磷含... 详细信息

通过金相组织观察,分析了不同磷含量双辊连铸薄带中的铁素体.实验结果表明,与同样磷含量的铸锭相比,铸带中的铁素体体积分数明显增大;对于同一个铸带,表层内铁素体体积分数小于中心区域,且磷含量越低表层内铁素体体积分数越小;随着磷含量的升高,铸带中的铁素体形态逐渐由针状向表面圆滑的块状转变.通过理论分析得出,快速冷却有利于钢中铁素体的稳定;表面圆滑的块状铁素体是由钢液中直接析出的,而针状铁素体是由固态奥氏体中析出的.

关键词：亚快速凝固双辊连铸薄带磷含量体积分数形态

铸造/烧结钴铬镍合金组织演变规律的对比研究

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材料工程 2024年第5期52卷 127-137页

作者：李光宇石增敏邓李辰贵王珂胜朱哲戴雷赵光伟三峡大学水电机械设备设计与维护湖北省重点实验室湖北宜昌443002

采用亚快速凝固和真空烧结两种工艺方法制备了钴铬镍合金,详细研究了工艺方法及Cr,Ni含量对合金组织演变规律的影响。结果表明,亚快速凝固工艺所获得的钴铬镍合金组织组成不受成分变化的影响,凝固组织为γ-fcc+ε-hcp两相组织的胞状枝晶... 详细信息

采用亚快速凝固和真空烧结两种工艺方法制备了钴铬镍合金,详细研究了工艺方法及Cr,Ni含量对合金组织演变规律的影响。结果表明,亚快速凝固工艺所获得的钴铬镍合金组织组成不受成分变化的影响,凝固组织为γ-fcc+ε-hcp两相组织的胞状枝晶,枝晶干为γ-fcc相,枝晶间为ε-hcp相,二次枝晶间距随结晶速率增大而减小,主要溶质元素Cr,Ni在两相间产生偏析,Cr元素富集在枝晶间,Ni元素在枝晶干富集。真空烧结工艺所制备钴铬镍合金组织构成由成分组成决定,低镍含量合金烧结体为单相ε-hcp组织,晶粒随烧结温度的升高呈现急剧粗化特征;高镍含量合金烧结体为γ-fcc+ε-hcp双相组织,晶粒细小且γ-fcc相呈现明显的孪晶和层错结构。烧结合金较铸造合金呈现明显的塑性增长,位错是烧结低镍ε-hcp单相合金性能提升的主要因素,孪晶和层错则是高镍γ-fcc+ε-hcp两相合金组织性能提升的主要因素。

关键词：钴铬镍合金粉末冶金真空烧结亚快速凝固组织演变

微合金化对亚快速凝固Mg-Al-Sn-Ca合金组织演化与力学性能的影响

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微合金化对亚快速凝固Mg-Al-Sn-Ca合金组织演化与力学性能的影响

作者：梁家玮吉林大学

学位级别：硕士

镁合金密度低、比强度高,在航天航空、生物医用及交通运输等行业有广阔的应用前景。近年来Mg-Al-Sn-Ca合金由于高强塑性和热稳定性等优异性能得到了广泛的关注。然而,Mg-Al-Sn-Ca合金在铸造过程中极易形成粗大的高熔点Ca Mg Sn共晶相,... 详细信息

镁合金密度低、比强度高,在航天航空、生物医用及交通运输等行业有广阔的应用前景。近年来Mg-Al-Sn-Ca合金由于高强塑性和热稳定性等优异性能得到了广泛的关注。然而,Mg-Al-Sn-Ca合金在铸造过程中极易形成粗大的高熔点Ca Mg Sn共晶相,常规热处理难以将其回溶。因而,在后续变形过程中极易引发应力集中,甚至割裂基体,不仅损害合金的力学性能,而且严重降低合金的成材率。微合金化与亚快速凝固可以有效调控凝固行为并细化凝固组织。此外,在固溶处理过程中引入预变形可以增加第二相回溶驱动力,有利于在后续热加工变形过程中提高合金成形能力,促进弥散纳米析出相形成。因此,本文以Mg-4.5Al-1.5Sn-0.5Ca(wt.%)系合金为研究对象,在微合金化的基础上,采用亚快速凝固技术,结合预变形辅助梯度固溶处理工艺,不仅有效细化了α-Mg基体晶粒,而且促使粗大Ca Mg Sn共晶相细化并球化;通过多向控轧与退火处理,探究了不同元素微合金化对变形微观组织演化及力学性能的影响,最终开发出所需的新型高性能Mg-Al-Sn-Ca基镁合金。主要结论如下:(1)与常规凝固相比,亚快速凝固可以缩短合金凝固时间,提高合金的固溶度,细化晶粒组织,并显著碎化共晶Ca Mg Sn相;当单一微合金化0.1 wt.%的Ce元素后,Ce溶质原子富集抑制了Ca Mg Sn长大,导致Ca Mg Sn共晶相尺寸有所细化、且体积分数减小;当同时加入0.2 wt.%的Mn元素和0.05 wt.%的Ce元素后,Mn与杂质结合净化了镁合金熔体,形成了AlMn相,结合亚快速凝固工艺和微量Ce元素对共晶Ca Mg Sn相的细化作用,铸态Mg-4.5Al-1.5Sn-0.5Ca-0.2Mn-0.05Ce合金获得了突出室温拉伸力学性能,其屈服强度、抗拉强度和断裂延伸率分别为～107 MPa、～236 MPa和～18.8%。(2)预变形辅助梯度固溶工艺可以有效钝化甚至球化合金中粗大的共晶Ca Mg Sn相,且与常规凝固相比,亚快速凝固与预变形辅助梯度固溶工艺结合对合金中Ca Mg Sn相的钝化、球化效果更好;Ce单一微合金化使样品出现AlCe相与Ca Mg Sn相依附的现象,证明Ca Mg Sn相上富集的Ce元素会与Al元素结合,析出AlCe相,且此现象不受凝固冷速的影响;Mn-Ce/Sm/Sr复合微合金化的样品出现了Al-Mn(-Ce/Sm)相和Mg-Sr相,且上述第二相也存在与Ca Mg Sn相依附的现象。(3)多向控轧与退火工艺可以显著细化合金中的晶粒与第二相,提升合金的力学性能;与Mn单一微合金化相比,Mn-Ce/Sm/Sr复合微合金化对性能提升的优势更加明显,其中Mn-Ce微合金化后,材料综合力学性能较高,在室温下沿RD拉伸的屈服强度、抗拉强度和断裂延伸率分别为～239.4 MPa、～298.4 MPa和～20.7%,强度的增加主要与晶界强化和位错强化有关,延伸率的增加可归因于晶粒取向对基面滑移的促进作用;Mn-Sr微合金化后材料趋于室温拉伸各向同性,其沿不同方向屈服强度的差值仅为4.9 MPa,断裂延伸率差值仅有1.1%。根据Schmid准则分析,0.05 wt.%Sr微合金化减小了拉伸方向对基面滑移开启的影响。

关键词：镁合金亚快速凝固微合金化微观组织力学性能

亚快速凝固方法制备Te-In合金的组织与成分

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功能材料 2015年第3期46卷 3131-3134页

作者：胡金武王保光王崇云田文怀北京科技大学材料科学与工程学院北京100083

采用亚快速凝固的方法制备75Te-25In(质量分数,%)合金,利用光学显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)以及能谱仪(EDS)等方法,考察Te-In合金的微观组织、相组成及其化学成分。结果表明,Te-In合金的微观组织均匀,平均晶粒... 详细信息

采用亚快速凝固的方法制备75Te-25In(质量分数,%)合金,利用光学显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)以及能谱仪(EDS)等方法,考察Te-In合金的微观组织、相组成及其化学成分。结果表明,Te-In合金的微观组织均匀,平均晶粒尺寸约为5μm;合金由初晶相和共晶组织组成,其中初晶相为非平衡态的In2Te5相,共晶组织则由固溶有In的非平衡态Te相和非平衡态的In2Te5相共同组成,合金中未发现纯Te相和平衡态的In2Te5相的存在;非平衡态的Te相中Te的质量分数为84.2%,In的质量分数为15.8%。

关键词：亚快速凝固 Te 组织形貌成分

Mg含量对亚快速凝固Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金组织与性能的影响

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材料工程 2018年第9期46卷 109-114页

作者：黄高仁孙乙萌张利刘玉林沈阳航空航天大学材料科学与工程学院沈阳110136

利用OM,DSC,XRD及SEM等分析方法,研究了Mg含量对亚快速凝固方式铸造Al-Zn-Mg-Cu系合金组织和力学性能的影响。结果表明,提高Mg含量会使合金中非平衡共晶相数量和晶界面积增加,枝晶臂间距减小,晶粒相对细化。Mg含量提高使合金强度得到提... 详细信息

利用OM,DSC,XRD及SEM等分析方法,研究了Mg含量对亚快速凝固方式铸造Al-Zn-Mg-Cu系合金组织和力学性能的影响。结果表明,提高Mg含量会使合金中非平衡共晶相数量和晶界面积增加,枝晶臂间距减小,晶粒相对细化。Mg含量提高使合金强度得到提高,但塑性下降。合金中Mg含量的增加还导致固溶处理后残余第二相的数量增加并降低均匀化效果。

关键词：亚快速凝固 Al-Zn-Mg-Cu系合金显微组织力学性能

微量Ce对亚快速凝固Al-Zn-Mg-Cu合金组织与性能的影响

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材料工程 2018年第3期46卷 105-111页

作者：黄高仁孙乙萌张利刘玉林沈阳航空航天大学材料科学与工程学院沈阳110136

通过DSC,XRD,SEM,EDS,静拉伸实验等材料分析方法研究了Ce对亚快速凝固方式铸造Al-Zn-Mg-Cu合金显微组织与力学性能的影响,探求合理的均匀化热处理工艺。结果表明,添加Ce能减小合金枝晶间距,细化晶粒,消除分散缩孔,起到细晶和净化的作用... 详细信息

通过DSC,XRD,SEM,EDS,静拉伸实验等材料分析方法研究了Ce对亚快速凝固方式铸造Al-Zn-Mg-Cu合金显微组织与力学性能的影响,探求合理的均匀化热处理工艺。结果表明,添加Ce能减小合金枝晶间距,细化晶粒,消除分散缩孔,起到细晶和净化的作用。添加Ce使合金低熔点共晶相的初熔温度降低3℃,相同均匀化条件下微量Ce能促进低熔点共晶相溶入基体,改善合金的均匀化效果。合金A的均匀化温度应低于480℃,合金B的均匀化温度应低于470℃,添加Ce降低了合金的均匀化温度,提高均匀化效率。添加Ce还大幅度提高了合金抗拉强度。

关键词：亚快速凝固 Al-Zn-Mg-Cu合金稀土元素力学性能

Li含量对亚快速凝固2A97铝锂合金的性能及组织演变规律的影响（英文）

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稀有金属材料与工程 2019年第9期48卷 2737-2744页

作者：唐迎春罗磊骆良顺刘玉林徐严谨苏彦庆郭景杰傅恒志哈尔滨工业大学金属精密热加工国家级重点实验室黑龙江哈尔滨150001 沈阳航空航天大学辽宁沈阳110100 中航工业制造技术研究院北京100024

通过亚快速凝固技术铸造2A97Al-Li合金,借助密度和拉伸测试对合金性能进行分析。同时,利用差热分析(DSC),光学显微镜(OM),扫描电镜(SEM)及能谱(EDS)对合金显微组织演变进行研究。结果表明:通过亚快速凝固技术和合理的热处理工艺可以有... 详细信息

通过亚快速凝固技术铸造2A97Al-Li合金,借助密度和拉伸测试对合金性能进行分析。同时,利用差热分析(DSC),光学显微镜(OM),扫描电镜(SEM)及能谱(EDS)对合金显微组织演变进行研究。结果表明:通过亚快速凝固技术和合理的热处理工艺可以有效减少2A97 Al-Li合金中存在的粗大第二相,这对于超低密度Al-Li合金的实现具有十分重要的意义。随着合金中Li含量的增加,Cu原子更倾向于捕获Li原子而形成Al2CuLi相;同时,Al2Cu相相对减少,并出现花瓣状共晶相Al2CuMg;另外,亚快速凝固Al-Li合金的铸态显微组织由树枝晶向胞状晶转变,并促进晶粒细化。然而,随着Li含量由1.5%(质量分数,下同)上升到3.5%过程中,热处理的效果逐渐降低,导致粗大共晶相残留于合金的三角叉晶界处,使合金力学性能降低。

关键词： 2A97 Al-Li合金亚快速凝固超低密度铝锂合金花瓣状共晶相