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AlNbTiVZr系轻质难熔高熵合金组织和性能研究

AlNbTiVZr系轻质难熔高熵合金组织和性能研究

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作者：蒋文韬哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

高熵合金作为一种新兴材料,在航空航天、耐磨耐蚀材料等领域有着广泛的应用。随着生活水平的日益增长和现代科技的快速发展,高温性能优异的高熵合金逐渐走向了市场。轻量化是制约难熔高熵合金应用的主要问题之一,目前应用的NbMoTaW、HfN... 详细信息

高熵合金作为一种新兴材料,在航空航天、耐磨耐蚀材料等领域有着广泛的应用。随着生活水平的日益增长和现代科技的快速发展,高温性能优异的高熵合金逐渐走向了市场。轻量化是制约难熔高熵合金应用的主要问题之一,目前应用的NbMoTaW、HfNbTaTiZr等大多数难熔高熵合金仍存在密度高、比强度低等难题。因此有必要在满足优异高温性能的前提下,降低合金的密度。本文以具有较高硬度和强度的NbTiV中熵合金体系为研究基础,通过设计并添加Al和Zr元素以获得具有硬脆金属间化合物相的难熔高熵合金,采用真空电弧熔炼技术制备了AlNbTiVZr和AlNbTiVZr两组轻质难熔高熵合金。通过调控Zr元素含量研究了其对铸态合金微观组织、化学成分分布、密度和不同温度下力学性能的影响,并选出具有最优性能的合金。在确定Zr含量的基础上依次调控了Al、Ti元素的含量,通过合金微观组织和力学性能的表征,完成了具有最佳比强度的合金成分设计,并讨论了合金的强韧化机制,为轻质难熔高熵合金的设计和应用提供了理论基础。研究了Zr含量对AlNbTiVZr和AlNbTiVZr合金组织和性能的影响规律。结果表明,随Zr含量的增加,c14-laves相(富Al、Zr元素)体积分数大幅度增加,导致AlNbTiVZr和AlNbTiVZr合金室温压缩屈服强度明显降低。高温压缩测试结果表明,AlNbTiVZr合金的性能更为优异。确定Zr含量后,对Al含量进行了调整(原子比0～1.0),并研究了其对组织和性能的影响规律。结果表明,Al可促进该体系合金中c14-laves相的形成,作为一种硬的金属间化合物相,Al含量的增加使c14-laves相体积分数先从12.03%上升到Al0.4合金的22.83%,后略下降到20.31%;使得合金密度降低了11.2%;硬度从397.2 HV增加到641.9 HV;AlNbTiVZr合金的室温和高温压缩屈服强度在Al含量为0～0.4范围内显著增加,并在Al含量为0.8时达到峰值。其强度的显著提升与c14-laves相体积分数增加而引起的第二相强化有关。确定Al含量后,对Ti含量进行了调整(原子比0.4～2.0),并研究了其对组织和性能的影响规律。结果表明,Ti是该体系合金中Bcc基体相的重要组成元素之一,Ti的添加使得合金Bcc基体相的体积分数从63.48%增加到95.63%,合金的密度降低了6.1%,并使得合金硬度、屈服强度和压缩应变率均先增加后降低。在Ti含量为1.2时合金的强度和塑性均表现良好。合金屈服强度和变形能力的协同提升与Ti原子固溶到基体引起严重的晶格畸变和晶粒尺寸减小有关。研究结果表明,AlNbTiVZr、AlNbTiVZr、AlNbTiVZr三种合金具有最优的力学性能。其在298 K下的比强度分别为257、312、336 MPa·cmg,在1073 K下的比强度分别为114、200、194 MPa·cmg。合金力学性能的提升主要受第二相强化、固溶强化和细晶强化三种强化机制影响。适当的采用低密度元素调控合金成分可以有效地改善难熔高熵合金高温力学性能并同时降低合金密度。本文设计并最终获得的AlNbTiVZr难熔高熵合金室温及高温性能优于目前文献中所报道的同类合金及高熵合金材料,有望作为结构材料应用于航空、航天高温材料领域中。

关键词： AlNbTiVZr合金难熔高熵合金 c14-laves相强化机制比强度

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