從熵的角度研究多組分合金,將材料科學的探索和認知提升至了全新的高度。統(tǒng)計物理學上,熵是材料排列混亂程度的量度,對應材料的“無序度”。高的混合熵和高的合金化元素含量的多組分合金材料,傾向于形成非晶或固溶體等高熵無序相結(jié)構(gòu)。因此,無論是非晶合金的“混亂原理”還是高熵合金的“高熵效應”,都與熵有著密切的聯(lián)系。本論文針對熵對多組分合金組織結(jié)構(gòu)和性能的影響,研究了 AlxCoCrFeNi系多組元高熵合金的離子輻照性能和含Ni多組元合金的高溫氧化性能。本論文主要涵蓋以下內(nèi)容:(1)采用真空電弧熔煉方法制備的Al0.1CoCrFeNi、Al0.75CoCrFeNi和Al1.5CoCrFeNi三種合金,其主要的相組成與CALPHAD相圖計算的結(jié)果一致。隨著Al元素含量的增加,AlxCoCrFeNi系多組元高熵合金由FCC結(jié)構(gòu)過渡到BCC結(jié)構(gòu),Al0.1CoCrFeNi是單相FCC結(jié)構(gòu);Al0.75CoCrFeNi是FCC + B2結(jié)構(gòu);Al1.5CoCrFeNi是A2 + B2結(jié)構(gòu)。研究表明,Al元素能夠促進多組元合金中BCC相結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。另外,以混合熵值的大小來度量AlxCoCrFeNi系多組元高熵合金,三種合金的混合熵分別為12.20、13.33和13.25J/mol·K。研究結(jié)果表明,當x1時,混合熵值隨x的增加而增大,但并未促進AlxCoCrFeNi系多組元合金中單相無序固溶體結(jié)構(gòu)的生成。(2)采用3 MeV Au+常溫離子輻照,研究了 AlxCoCrFeNi系高熵合金的輻照體積腫脹率和析出行為。實驗結(jié)果表明,離子輻照后該合金體系的體積腫脹率順序為FCCFCC+BCCBCC,與傳統(tǒng)BCC結(jié)構(gòu)材料的輻照體積腫脹率小于FCC結(jié)構(gòu)的趨勢相反。此外,在輻照劑量為～40 dpa時,混合熵值較低的Al0.1CoCrFeNi合金表現(xiàn)出優(yōu)異的抗輻照析出能力,而混合熵值較高的Al0.75CoCrFeNi和Al1.5CoCrFeNi合金,則存在平均尺寸～6 nm的共格析出相,并且隨著輻照劑量的增加,析出相的平均尺寸增加。同時,利用EELS研究了析出相中元素的偏析情況,研究結(jié)果顯示,Al1.5CoCrFeNi合金A2中析出富Fe的析出相,而B2中析出富Co的析出相。(3)采用3 MeV Au+常溫離子輻照,系統(tǒng)研究了 AlxCoCrFeNi系多組元高熵合金的輻照微觀結(jié)構(gòu)演變。TEM研究結(jié)果表明,低輻照劑量下～1 dpa,單相Al0.1CoCrFeNi合金,輻照缺陷主要為小而密的點狀缺陷,隨著輻照劑量的增加,缺陷尺寸逐漸增大形成位錯線和位錯環(huán),導致缺陷密度降低。雙相Al0.75CoCrFeNi和Al1.5CoCrFeNi合金無序相中輻照缺陷的尺寸和密度均較有序相小。研究表明,無序相結(jié)構(gòu)中缺陷的形成能和遷移能可能較有序相高,導致點缺陷的形成和移動受到抑制,從而表現(xiàn)出優(yōu)異的抗輻照缺陷能力。即固溶體的有序度與多組元高熵合金的抗輻照性能成反比。(4)采用3MeVAu+高溫離子輻照,研究了 Al0.1CoCrFeNi高熵合金在250℃～650℃溫度下輻照缺陷的微觀結(jié)構(gòu)演變。研究結(jié)果表明,Au+高溫離子輻照導致合金中主要形成柏氏矢量為1/2110和1/3111的兩種間隙型位錯環(huán)和層錯四面體,并未發(fā)現(xiàn)空洞。隨著輻照溫度的升高,合金中位錯環(huán)的尺寸增加,密度減少。分析表明,小位錯環(huán)或團簇的長大及合并是導致位錯環(huán)尺寸增大密度減少的主要原因。650℃時,由于回復機制的存在,高溫下空位團大量分解,分解后的單空位與間隙型位錯或團簇原子進一步復合,導致缺陷密度急劇下降。另外,三維原子探針(APT)實驗結(jié)果表明,Au+高溫離子輻照導致Alo.1CoCrFeNi合金中溶質(zhì)原子Co/Ni在位錯環(huán)處發(fā)生偏析,其主要原因是Co/Ni的原子半徑大于Cr/Fe,根據(jù)輻照點缺陷與溶質(zhì)原子的相互作用原理,從消除或減少應力的角度,尺寸較小的原子Co/Ni易在間隙型位錯環(huán)處聚集,而較大原子Cr/Fe則在間隙型位錯環(huán)處貧缺。(5)研究了純Ni及含Ni元素的等原子比多組元合金在800℃的高溫氧化性能。抗氧化性能的順序為FeNiCoFeNiNiCoCrFeMnNiCoCrFeNi,表明隨著熵值的增加,性能并不是線性增加,而是呈現(xiàn)出非線性行為。同時,研究了 AlxCoCrFeNi系多組元合金在298 K～77K的低溫沖擊性能。研究發(fā)現(xiàn),隨著溫度的降低,CoCrFeNi和Al0.1CoCrFeNi合金的沖擊韌性,呈現(xiàn)升高趨勢,表明在298 K到77K溫度區(qū)間內(nèi),這兩種合金均不存在韌脆轉(zhuǎn)變溫度。低溫高沖擊韌性的主要原因為納米孿晶強化機制的出現(xiàn),其中CoCrFeNi合金在低溫77K時的沖擊功為398J。
【學位單位】：北京科技大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TG139
【部分圖文】：

－－?？－ｉｍｋ．－＇．．．‘?ｊ？■‘??圖１－１為等原子比合金混合熵與組元數(shù)的關(guān)系曲線。從圖中可知，當組??元數(shù)目增加到１２或１３時，混合熵的增加速度開始減緩，說明當組元達到??一定數(shù)目時，不能再單純地依賴增加組元數(shù)目來顯著地提高混合熵的數(shù)值。??４．０－

圖１－４髙熵合金的發(fā)展以及常用工業(yè)合金混合熵值的范圍ｗ??

圖１－３傳統(tǒng)合金在熔融狀態(tài)或室溫時的混合熵值比較１３１??
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本文編號：2835667