Cr对Al-Cr-Cu-Fe-Ni高熵合金组织与硬度的影响.pdf

第6 1 卷第4 期有色金属V 0 1 ．6 1 ，N o ．4 20 09 年11 月 N o n f e r r o u sM e t a l s N o v e m b e r ．200 9 C r 对A 1 ．C r C u F e N i 高熵合金组织与硬度的影响 李安敏1 ，张喜燕2 1 ．广西大学材料科学与工程学院，南宁5 3 0 0 0 4 ；2 ．重庆大学材料科学与工程学院，重庆4 0 0 0 3 0 摘 要研究c r 含量对A I C r 。C u F e N i x 0 ．5 ，1 ．0 ，1 ．5 ，2 ．0 合金的组织与硬度的影响。利用真空电弧炉熔铸A I C r ；C u F e N i 高熵合金。通过金相显微镜与x 射线衍射分析合金的显微结构，用显微硬度仪检测合金的显微硬度。结果表明，合金的铸态组织 是典型的树枝晶，A I C r ，C u F e N i 高熵合金具有面心立方 F C C 和体心立方结构 B C C ；A I C r ，C u F e N i x 0 ．5 ，1 ．0 的硬度随c r 含量 的增加而增加，A I C r C u F e N i 的硬度降低，A 1 C r 2o C u F e N i 的硬度又回升。高熵效应使A I C r ，C u F e N i 合金具有简单的晶体结构，c r 含量对A I C r ，C u F e N i 合金的硬度影响是晶体结构、固溶强化和品格畸变因素综合作用结果。 关键词金属材料；多主元合金；高熵合金；组织；硬度 中图分类号T G l l 3 ．1 2 ；T G l l 3 ．2 5文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 l 2 0 0 9 0 4 0 0 1 8 0 3 高熵合金即“多主元高熵合金”就是多种主要 元素的合金，其中每个主要元素皆具有高的原子百 分比，定义高熵合金的主要元素数目n ≥5 ，但其原 子百分比皆不超过3 5 ％。3J 。高熵合金具有显微 结构简化、不倾向于出现金属间化合物、具有纳米析 出物与非晶质结构等结构特征- 2 ] ，具有高强度、高 硬度、耐回火软化、耐磨等性能特性H 。8 1 。主要研究 C r 对A 1 C r ，C u F e N i 省 0 ．5 ，1 ．0 ，1 ．5 ，2 ．0 高熵合金 的铸态组织与硬度的影响，为研究高熵合金主元的 选择提供一定的实验依据。 1实验方法 原材料为高纯度 9 9 ．9 9 ％ 的A l ，C r ，C u ，F e ， N i ，按摩尔比为l 0 ．5 1 1 1 ，1 1 1 1 l ，1 1 ．5 1 l 1 ，1 2 l 1 1 配制合金配方，用真空电弧炉熔铸 A I C r 。C u F e N i 菇 0 ．5 ，1 ．0 ，1 ．5 ，2 ．0 高熵合金。熔 铸前，把配置好的原料放入真空电弧炉内的水冷铜 坩埚，先将电弧炉抽真空，当达到1 ．3 3 1 0 q P a 范 围后充人纯氩气，再抽真空，达到1 ．3 3 1 0 。P a 后 再次充人纯A r ，并使炉内气压稍大于0 ．1 M P a ，以保 护试样不受氧化。为了改善熔铸试样的均匀性，试 样连续熔铸五次。熔铸试样直径大约1 5 m m ，厚 收稿日期2 0 0 7 0 8 3 0 基金项目有色金属及材料加工新技术教育部重点实验室开放基 金资助项目 G X K F J 一1 6 ；广西自然科学基金资助项目 0 5 7 5 1 8 ；广西技术攻关项目 0 6 3 9 0 0 3 ；广西大学科 研基金资助项目 x - 0 7 1 0 6 6 作者简介李安敏 1 9 7 3 一 ，女，壮族，广西武鸣县人，副教授，博士 生，主要从事高熵合金的组织与性能等方面的研究。 8 m m 。分成几份，分别用来制备金相试样 用王水腐 蚀 、X R D 分析、测试硬度。 使用W K 型非自耗真空电弧炉在氩气的保护下 熔炼合金。X R D 衍射分析仪为D ／M a x 2 5 0 0 V 衍射 仪，试验条件为C u 靶，管电压4 0 k V ，管电流2 0 0 m A ， 2 0 2 0 6 0 。扫描速度8 0 ／m i n 。扫描电子显微镜为 S 一3 4 0 0 N 型。显微硬度计型号为H V S 一1 0 0 0 ，试验 时用静载荷4 ．9 N ，延时2 0 s ，每个试样测7 个点的硬 度值，然后取其平均值。 a 一算 0 ．5 ； b 一茗 1 ．0 ； e 一鼻 1 ．5 ； d 一菩 2 ．0 图1 A I C r ，C u F e N i 高熵合金的铸态组俎 4 e e F i g ．1 C a s tm i c r o s t r u c t u r eo fA I C r ；C u F e N i 2 试验结果与讨论 2 ．1 金相组织 万方数据 第4 期李安敏等C r 对A l - C r - C u F e N i 高熵合金的组织与硬度的影响 1 9 图1 为A I C r 。C u F e N i 高熵合金的铸态组织，为 典型的树枝晶。 2 ．2X R D 分析 图2 与表1 为A I C r C u F e N i 高熵合金X R D 分析 结果，可知A 1 C L C u F e N i 高熵合金的铸态组织是由 简单结构面心立方 F C C 和体心立方 B C C 构成。 随着C r 含量的增加，B C C 结构的强衍射峰的衍射强 度减弱，当茹 1 ．5 时，衍射强度达到最小，当菇 2 ．0 时，衍射强度有所增大。F C C 的晶格常数随着 c r 含量的增加而减小，而B C C 的晶格常数先降低后 增大。 2 ．3 硬度 A 1 C r ，C u F e N i 高熵合金的铸态硬度见表1 ，随着 C r 的含量的增加，A I C r ，C u F e N i 从菇 0 ．5 到戈 ‘ 、 趟 矮 △f ＆b c c 1 1 0 6 ⋯献 2 0 。O ，郴 A x 1 ．0 一 x 1 ．5 ． √t x 2 ．0 图2A I C r 。C u F e N i 高熵合金铸态X R D 图 F i g ．2 X R D p a t t e r n so fA I C r , C u F e N i i na 8 ．e a s tc o n d i t i o n 1 ．0 的硬度升高，而A 1 C r 。．，C u F e N i 的硬度降低，A l C r 2 。C u F e N i 的硬度又回升。 表1A l C r ，C u F e N i 的组织与铸态硬度 T a b l e1M i c r o s t r u c t u r ea n dh a r d n e s so fA I C r ，C u F e N ii nc a s tc o n d i t i o n 2 ．4 结果分析与讨论 按照G i b b s 相率，n 种元素的合金的平衡相的数 目为P n 1 ，非平衡凝固时形成的相数P 几 1 。 按照传统合金，A I C r C u F e N i 合金应该出现诸如 N i ，A l ，N i ，F e ，A l ，F e ，C r ，A l 等金属间化合物，但其显 微组织中形成简单的体心立方和面心立方相，不倾 向于形成脆性的金属间化合物，其相数远小于6 。这 是由于合金的高熵效应的结果，当系统的混合熵大 于形成金属间化合物的熵变，就会抑制脆性金属间 化合物的出现，促进元素间混合形成简单的体心立 方 B C C 或面心立方 F C C 结构⋯。 合金的硬度与晶体结构因素和同溶强化因素有 关。对晶体结构而言，由图2 的衍射强峰的衍射强 度可知，A 1 C r o 。C u F e N i 的B C C 结构比A I C r C u F e N i 的 多。而在B C C 中沿原子最密排的{ 1 1 0 } 面上的滑移 比F C C 中沿密排面{ 1 1 1 } 面上的滑移要困难得多， 因为{ 1 l O } 面上的原子密度相对较小，原子排列也较 不规则，据表l 中的晶格常数可以算出B C C 中 { 1 1 0 } 的面问距比F C C 中{ IlI } 的面间距小，对位错 运动的晶格摩擦作用比F C C 的大，故B C C 中的滑移 更难进行，呈现出强化作用。由表2 可以看出，C r 元 素与其他元素具有较强的粘结力，随着C r 含量的增 加．C r 与A l 元素在B C C 中的结合，会增加杨氏模量 表3 各元素的原子尺寸。 T a b l e3A t o m i cs i z eo fe x p e r i m e n t a le l e m e n t s 元素 A 1 C u N iF eC r 原子尺寸／n m0 ．1 4 30 ．1 2 80 ．1 2 4 5 0 ．1 2 4 0 ．1 2 5 但当茹 1 ．5 时，合金的硬度值下降，因为A 1 ． C r C u F e N i 的B C C 结构衍射强度达到最小值，而 A 1 C r C u F e N i 比A 1 C r C u F e N i 合金出现了较多的 万方数据 2 0有色金属第6 1 卷 F C C 结构 见图2 ，弱化了合金，所以A I C r 。．，C u F e N i 的硬度比A 1 C r C u F e N i 的低。随着c r 含量的进一步 增加 菇 2 ．0 ，据表1 ，合金中的F C C 相的晶格常数 不变，而B C C 相的晶格常数增加，晶格产生畸变，使 合金强化；且图2 中B C C 相衍射峰的衍射强度提高， 说明A I C r 2 。C u F e N i 比A I C r l 5 C u F e N i 的B C C 结构增 多，故A 1 C r 2o C u F e N i 的硬度比A I C r l 5 C u F e N i 高。 3结论 用真空电弧炉熔铸的A I C r ，C u F e N i 菇 0 ．5 ， 参考文献 1 ．0 ，1 ．5 ，2 ．0 高熵合金的铸态组织是典型的树枝 晶，其具有简单的面心立方 F C C 和体心立方结构 B C C 。随着C r 含量的增加，B C C 结构的强衍射峰 的衍射强度减弱，当z 1 ．5 时，衍射强度达到最小， 当茗 2 ．0 时，衍射强度有所增大。A I C r ，C u F e N i 石 0 ．5 ，1 ．0 的硬度随C r 含量的增加而增加，A I C r C u F e N i 的硬度降低，A I C r ．。C u F e N i 的硬度又回升， 这是晶体结构因素、固溶强化和晶格畸变因素综合 作用的结果。 [ 1 ] Y e hJW ，C h e nSK ，L i nSJ ，e ta 1 ．N a n o s t r u c t u r e dh i g h e n t r o p ya l l o y sw i t hm u l t i p r i n c i p a le l e m e n t s n o v e la l l o yd e s i g nc o n c e p t s a n do u t e o n l e s [ J ] ．A d vE n gM a t e r ，2 0 0 4 ，6 2 9 9 3 0 3 ． 【2 ] Y e hJW ，C h e nSK ，G a nJY ，e ta 1 ．F o r m a t i o no fs i m p l ec r y s t a ls t r u c t u r e si ns o l i d s o l u t i o na l l o y sw i t hm u l t i p r i n c i p a lm e t a l l i c e l e m e n t s 『J ] ．M e t a l lM a t e rT r a n sA ，2 0 0 4 ，3 5 A 2 5 3 3 2 5 3 6 ． [ 3 ] 叶均蔚，陈瑞凯，刘树均．高熵合金的发展概况[ J ] ．工业材料杂志，2 0 0 5 ，2 2 4 7 1 7 9 ． [ 4 ] Z h o uYJ ，Z h a n gY ，W a n gYL ，e ta 1 ．M i c r o s t r u c t u r ea n dc o m p r e s s i v ep r o p e r t i e so fm u h i e o m p o n e n tA I ， T i V C r M n F e C o N i C u 1 0 0 一xh i g h e n t r o p ya l l o y s [ J ] ．M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n gA2 0 0 7 ，4 5 4 ／4 5 5 2 6 0 2 6 5 ． [ 5 ] H u a n gPK ，Y e hJW ，S h u nTT ，e ta 1 ．M u l t i p r i n c i p a l e l e m e n ta l l o y sw i t hi m p r o v e do x i d a t i o na n dw e a rr e s i s t a n c ef o rt h e r m a l s p r a yc o a t i n g [ J ] ．A d v a n c e dE n g i n e e r i n gM a t e r i a l s ，2 0 0 4 ，6 1 ／2 7 4 7 8 ． [ 6 ] H s uCY ，Y e hJW ，C h e nSK ，e ta 1 ．W e a rr e s i s t a n c ea n dh i g h t e m p e r a t u r ec o m p r e s s i o ns t r e n g t ho fF c cC u C o N i C r A l 0 5F ea l l o y w i t hb o r o na d d i t i o n [ J ] ．M e t a l l u r g i c a lM a t e r i a l sT r a n s a c t i o n sA ，2 0 0 4 ，3 5 A 1 4 6 5 1 4 6 9 ． [ 7 ] C h e nYY ，H o n gUT ，S h i hHC ，e ta 1 ．E l e c t r o c h e m i c a lk i n e t i c so ft h eh i g he n t r o p ya l l o y si na q u e o u se n v i r o n m e n t s - ac o m p a r i s o n w i t ht y p e3 0 4s t a i n l e s ss t e e l [ J ] ．C o r r o s i o nS e i e n c e ，2 0 0 5 ，4 7 1 1 2 6 7 9 2 6 9 9 ． [ 8 ] J i e n - M i nW u ，S u J i e nL i n ，J i e n ．W e iY e h ，e ta 1 ．A d h e s i v ew e a rb e h a v i o ro fA I 。C o C r C u F e N ih i g h - e n t r o p ya l l o y sa sa f u n c t i o no f a l u m i n u mc o n t e n t [ J ] ．W e a r ，2 0 0 6 ，2 6 l 5 ／6 5 1 3 5 1 9 ． [ 9 ] C h u n g ．C h i nT u n g ，J i e n ．W e iY e h ，T a o ．t s u n gS h u n ，e ta 1 ．0 nt h ee l e m e n t a le f f e c t o f A I C o C r C u F e N ih i g h e n t r o p ya l l o ys y s t e m [ J ] ．M a t e r i a l sL e t t e r s ，2 0 0 7 ，6 1 1 1 5 ． [ 1 0 ] C o u r t n e yT ．M e c h a n i c a lB e h a v i o ro fM a t e r i a l s [ M ] ．N e wY o r k M c G r a w H i l lB o o kC o m p a n y ，1 9 9 0 1 7 3 1 8 4 ． [ 1 1 ] D i e t e rGE ．M e c h a n i c a lM e t a l l u r g y ，S IM e t r i cE d i t i o n s [ M ] ．N e wY o r k M c G r a w H i l lB o o kC o m p a n y ，1 9 8 8 11 7 1 2 1 ， 2 0 8 2 1 2 ． [ 1 2 ] A k i r aT a k e u c h i ，A k i h i s aI n o u e ．C l a s s i f i c a t i o no fb u l km e t a l l i cg l a s s e sb ya t o m i cs i z ed i f f e r e n c e ，h e a to fm i x i n g a n dp e r i o do f c o n s t i t u e n te l e m e n t sa n di t sa p p l i c a t i o nt oc h a r a c t e r i z a t i o no ft h em a i na l l o y i n ge l e m e n t [ J ] ．M a t e r i a l sT r a n s a c t i o n s ，2 0 0 5 ，4 6 1 2 2 8 1 7 2 8 2 9 ． E f f e c to fC ro nM i c r o s t r u c t u r ea n dH a r d n e s so fA I C r ，C u F e N iH i g h - e n t r o p yA l l o yS y s t e m uA n m i n l ．Z H A N GX i ．y a n 2 1 ．C o l l e g eo fM a t e r i a lS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，G u a n g x iU n i v e r s i t y ，N a n n i n g5 3 0 0 0 4 ，C h i n a ； 2 ．C o l l e g eo fM a t e r i a lS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，C h o n g q i n gU n i v e r s i t y ，C h o n g q i n g4 0 0 0 3 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h ee f f e c to fC rc o n t e n tont h em i c r o s t r u c t u r ea n dh a r d n e s so f h i g h - e n t r o p ya h o yA 1 C r ，C u F e N i 石 0 ．5 ，1 ．0 ， 1 ．5 ，2 ．0 a r ei n v e s t i g a t e d ．T h ea l l o y sa r ep r e p a r e db yt h ea r cm e l t i n ga n dc a s t i n gm e t h o d ．T h em i c r o s t r u c t u r e so f a l l o y sa r ea n a l y z e db ym i c r o s c o p ea n dX - r a yd i f f r a c t o m e t e r ．T h eh a r d n e s si sm e a s u r e db yaV i c k e r sh a r d n e s st e s t e r ． T h er e s u l t ss h o wt h a tA IC r 。C u F e N ia l l o y se x h i b i tq u i t es i m p l eF C Ca n dB C Cs o l i ds o l u t i o np h a s e s ．T h eh a r d n e s so f a l l o y si si n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fC rc o n t e n tf r o m0 ．5t o2 ．0w h e r e a si ti sm i n i m a la st h ec o n t e n to fC ri s1 ．5 ． A I C r ，C u F e N ia l l o y se x h i b i tq u i t es i m p l es o l i ds o l u t i o np h a s e sb e c a u s eo fh i 【g he n t r o p y ，a n dt h ee f f e c to fC ro nt h e h a r d n e s so fA I C r ，C u F e N ih i g h e n t r o p ya l l o ys y s t e mr e s u l t sf r o mt h eb a s i cs t r u c t u r ef a c t o r ，s o l u t i o nh a r d e n i n g m e c h a n i s ma n dl a t t i e ed i s t o r t i o n ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l m u l t i ．p r i n c i p a le l e m e n t sa l l o y ；h i g h e n t r o p ya l l o y ；m i c r o s t r u c t u r e ；h a r d n e s s 万方数据