时效处理对Al0.5CoCrFeNi高熵合金微观组织和力学性能的影响.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年4 期 4 7 D O I 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 - - 7 5 4 5 ．2 0 1 1 ．0 4 ．0 1 4 时效处理对A 1 C o C r F e N i 高熵合金微观 组织和力学性能的影响 唐群华1 ，赵亚光1 ，蔡建宾1 ，戴品强1 ’2 1 ．福州大学材料科学与工程学院，福州3 5 0 1 0 8 ；2 ．福建工程学院材料科学与工程学院，福州3 5 0 1 0 8 摘要对A l o ．。C o C r F e N i 高熵合金经不同温度时效处理2 4h 后的微观组织和力学性能进行研究。结果 表明时效处理前后，A l 。C o C r F e N i 高熵合金均由简单的体心立方相和面心立方相组成，组织主要为树 枝晶形貌。但是，随着时效温度的升高 8 0 0 ℃和10 0 0 ℃ ，树枝品析出弥散分布的针状第二相，且第二 相数量不断增大。由于第二相的弥散强化作用，时效处理能显著提高合金的抗拉强度。 关键词时效处理；微观组织；高熵合金；机械性能 中图分类号T F 3 4文献标识码A文章编号l 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 1 0 4 一0 0 4 7 0 4 E f f e c to fA g i n gT r e a t m e n to nM i c r o s t r u c t u r e sa n dM e c h a n i c a l P r o p e r t i e so fA l o ．sC o C r F e N iH i g h E n t r o p yA l l o y T A N GQ u n h u a l ，Z H A 0Y a g u a n 9 1 ，C A IJ i a n b i n l ，D A IP i n q i a n 9 1 ’2 1 ．C o l l e g eo fM 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 g ，F u z h o uU n i v e r s i t y ，F u z h o u3 5 0 1 0 8 。C h i n a ； 2 ．D e p a r t m e n to fM 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 g ，C o l l e g eo fF u j i a nE n g i n e e r i n g ，F u z h o u3 5 0 1 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t T h em i c r o s t r u c t u r e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fA 1 0 ．5C o C r F e N ih i g h e n t r o p ya l l o ya g e da tt e m p e r a t u r e sr a n g ef r o m6 0 0 ℃t o10 0 0 ℃f o r2 4hw e r es t u d i e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tF C Ca n dB C Cp h a s e s t r u c t u r e sr e m a i nu n c h a n g e da f t e ra g i n gt r e a t m e n t ，a n dt h em i c r o s t r u c t u r e sm a i n l yared e n d r i t e ．H o w e v e r ，w i t ht h ei n c r e a s eo fa g i n gt e m p e r a t u r e ，d i s p e r s i v es e c o n dp h a s ep r e c i p i t a t e sa n dt h ea m o u n to fs e c o n d p h a s ei n c r e a s e s ．F u r t h e r m o r e ，t h ea g i n gt r e a t m e n tc a ne n h a n c et e n s i l es t r e n g t hd u et ot h ed i s p e r s i o n s t r e n g t h e n i n go fs e c o n dp h a s e ． K e yw o r d s A g i n gt r e a t m e n t ；M i c r o s t r u c t u r e ；H i g h e n t r o p ya l l o y ；M e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 目前人类己经开发使用的合金系大多以一种或 两种金属元素为主，例如铝合金、钛合金[ 1 - 2 ] 、M g - F e 、T i A l 等二元合金[ 3 - 4 ] 。传统合金设计理念认 为合金主要元素太多会导致生成金属间化合物等复 杂的物相，使材料脆性增大，并难以分析和加工[ 5 ] 。 然而2 0 世纪9 0 年代中期，我国台湾学者叶均蔚首 先打破了这种传统的合金设计理念[ 6 _ 7 ] ，提出了“高 熵合金”这个新概念。 高熵合金是指包含多种主要元素的合金体系， 基金项目国家大学生创新性试验计划项目 0 9 1 0 3 8 6 2 9 作者简介唐群华 1 9 8 6 一 ，男，福建莆田人，硕士研究生． 一般定义主元的数目n ≥5 但不超过1 3 ，且每种主 元的原子百分比介于5 ％和3 5 ％L 6 ’8 ] 。如果按照定 义，可设计的高熵合金数将远超过传统合金。大量 研究发现[ 9 _ 1 州一些高熵合金体系不但组织结构简 单，而且表现出优异的性能。 但是，高熵合金的研究大多是针对铸态合金进 行，文献表明L l 卜1 2 ] 铸态合金易出现内应力大、成分 偏析、冷裂和缩孔等缺陷，影响合金的应用。同时， 铸态高熵合金多数脆性较大，大部分力学性能研究 万方数据 4 8 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年4 期 都是针对合金的压缩性能，而拉伸力学性能较少有 报导。本文主要研究时效处理对A l ㈦C o C r F e N i 高 熵合金的微观组织结构和拉伸性能的影响。 1试验方法 采用高纯度A 1 、C o 、C r 、F e 和N i 为原料，在氩 气保护下，利用真空电弧熔炼A 1 。，。C o C r F e N i 高熵 合金，每块合金都正反面反复熔炼五次以确保合金 的成分均匀。时效处理在S X 2 5 1 2 型高温电阻炉 中进行，将试样分别加热到6 0 0 、8 0 0 和l0 0 0 ℃保 温2 4h 后水冷。X R D 在D ／m a xU h i m aI I I 型X 射 线衍射仪上进行，采用P h i l i p s F E IX L 3 0 型扫描 电镜观察合金的显微组织，并用其附带的能谱仪 E D S 测定合金的微区成分。合金的室温拉伸试验 在C M T 一6 1 0 4 型电子万能试验机上进行，试验时 应变速率为4 1 0 叫S ，试样拉伸后的断口形貌采 用扫描电镜观察。 2 结果和讨论 2 ．1 时效处理对合金显微组织的影响 图1 为A l 。．。C o C r F e N i 高熵合金经不同温度时 效后的S E M 像。从图1 可看出，A l 。．。C o C r F e N i 高 熵合金铸态组织为典型的树枝晶形貌。6 0 0 ℃时效 处理，合金枝晶间组织开始回溶。随着时效温度的 升高，枝晶间组织回溶程度加剧，晶界体积分数减 小。这是因为合金凝固时晶界处产生大量的空位、 位错和晶界偏析等缺陷，晶界储存较大的应变能而 处于不稳定状态。但是，由于合金的主元种类多，各 主元半径不同，导致各原子协同扩散困难，限制了铸 态合金的有效扩散速率。因此，随着时效温度的升 高，合金扩散系数增大，晶界处的应变能得到释放， 促进晶界处原子向树枝晶扩散，枝晶间组织回溶。 8 0 0 ℃时效处理，合金的树枝晶开始弥散析出针状 第二相。随着时效温度继续升高到10 0 0 ℃，第二 相数量增多，且长大粗化。 图2不同温度下A l o ．；C o C r F e N i 高熵合金的S E M 图像 F i g ．2 S E Mi m a g e so fA I o ．sC o C r F e N ih i g h - e n t r o p y a l l o y sa td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e 表1 是A l 。．。C o C r F e N i 合金微区的E D S 分析 结果，表2 是合金中各元素的原子半径及元素间的 混合焓‘7 _ 8 ] 。E D S 分析表明，A 1 。．5C o C r F e N i 铸态 合金的枝晶成分与名义成分基本一致，A 1 和N i 偏 析于枝晶间。这主要是因为原子尺寸因素对固溶度 的影响。A l 原子与其它原子半径相差较大，当A l 原子溶入树枝晶后，晶格产生较大的畸变能，晶格容 易不稳定，则A l 原子在树枝晶中的固溶度较小，凝 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年4 期 4 9 固时易被排斥到枝晶间，在枝晶间富集。同时，由于 A l N i 的混合焓较低，两原子的结合力强，则N i 原 子易被A l 原子吸引，导致N i 原子也偏析于枝晶间。 6 0 0 ℃时效处理，合金组织成分并未发生明显变化。 时效温度的升高到8 0 0 ℃和10 0 0 ℃时，第二相富 集A l 、N i 原子。枝晶间组织成分按照原子百分比 从大到小排列，依次为A l 或N i ，C o ，F e ，C r 。表2 表明，元素间混合焓从小到大排列，依次为A l N i ， A 1 - C o ，A 1 一F e ，A 1 - C r 。故推测在高温时效情况下， 混合焓对枝晶间组织成分起主要作用，有待进一步 研究。 表1A l 。C o C r F e N i 高熵合金的微区成分 T a b l e1E D Sa n a l y s i sr e s u l t so fA I o ．5C o C r F e N ih i g h e n t r o p ya l l o y s ／％ A l l o y Z o n eA 1C rF eC oN a s - c a s t 6 0 0 ℃ 8 0 0 ℃ N o m i n a l1 1 ．1 12 2 ．2 22 2 ．2 22 2 ．2 2 D e n d r i t e1 1 ．5 92 2 ．3 32 2 ．3 32 2 ．1 7 I n t e r d e n d r i t e2 5 ．6 61 6 ．2 91 5 ．7 21 7 ．5 3 D e n d r i t e1 0 ．9 2 2 2 ．22 2 ．2 62 2 ．6 8 I n t e r d e n d “t e2 5 ．5 91 6 ．7 61 6 ．5 21 5 ．7 7 D e n d r i t e8 ．8 8 2 4 ．1 22 3 ．6 82 2 ．3 2 I n t e r d e n d r i t e3 1 ．3 88 ．5 51 1 ．5 21 6 ．0 7 S e c o n dp h a s e1 9 ．5 21 7 ．6 31 7 ．8 31 9 ．0 2 D e n d r i t e8 ．8 3 2 3 ．4 1 2 32 2 ．6 1 I n t e r d e n d r i t e3 1 ．7 89 ．7 51 2 ．0 81 5 ．2 2 S e c o n dp h a s e1 7 ．5 1 1 8 ．1 61 8 ．8 22 0 ．9 9 2 2 ．2 2 2 1 ．5 9 2 4 ．8 2 1 ．9 3 2 5 ．3 6 2 l 3 2 ．4 8 2 5 ．9 9 2 2 ．1 5 3 1 ．1 7 2 4 ．5 2 2 ．2 时效处理对合金结构的影响 图2 为铸态A l C o C r F e N i 高熵合金不同温度 时效后的X R D 图谱。由图2 可知，时效处理前后， A l 。．。C o C r F e N i 高熵合金均由简单面心立方和体心 立方两相组成。该合金形成了简单的固溶体结构， 并没有出现复杂的物相，这是因为A l 。．。C o C r F e N i 高熵合金的高混合熵效应增加了各主元的相容性， 抑制金属间化合物的形成，促进主元互溶而形成简 单的晶体结构凹] 。铸态合金的F C C 结构特征衍射 峰明显高于B C C 结构，而特征衍射线的强度与样品 中相应物相参与衍射的晶胞数目成正比。结合显微 组织分析可知，铸态合金组织中树枝晶的体积分数 远大于枝晶间组织，故树枝晶为F C C 结构相，枝晶 间为B C C 结构相。当时效温度较低时 6 0 0 ℃ ，时 效处理并未引起X R D 曲线发生明显的改变。随着 时效温度继续升高 8 0 0 ℃和l0 0 0 ℃ ，B C C 相特 征衍射峰强度不断增大，而针状第二相数量明显增 多，因此可以初步推测针状第二相为B C C 结构相。 针状第二相和枝晶间组织由于晶格常数相差不大， 在X R D 图谱上无法区分出来。 “X l o C 2 4 h 1 ．凡 ．．．。 a s - - c a s t L 人一人． 6 0 8 0 2 0 ／ 。 图2A l o ．，C o C r F e N i 高熵合金的X R D 图谱 F i g ．2X R Dp a t t e r n so fa s c a s tA i o ．5C o C r F e N i h i g h ’e n t r o p ya l l o y s 2 ．3 时效处理对室温拉伸性能的影响 图3 为A l 。．。C o C r F e N i 高熵合金的抗拉强度和 延伸率随时效温度的变化曲线。可以看出，随着时 效温度的升高，合金的抗拉强度增大，而延伸率却经 历一个先增大后减小的过程。其中，合金的延伸率 删岫旦坠山’『1。 ；蕊。 黼黼厕 鎏；| 一一一一一一一一一㈣一 金2 一“一叭“；抓州 能～ 一一一～＆K∞M 2 n 瓦一 轧n 玉 万方数据 5 0 有色金属 冶炼部分2 0 1 1 年4 期 经6 0 0 ℃2 4h 时效后达到峰值 2 8 ％ 。这是因 为随着时效温度的升高，树枝晶上弥散析出的B C C 结构第二相数量增加，而在B C C 结构中沿原子最密 排 1 1 0 面上的滑移比树枝晶F C C 结构中沿密排面 1 1 1 面上的滑移要困难得多，故B C C 结构第二相 导致滑移更难进行，同时，位错运动的阻力加大，表 现出弥散强化作用。 ￡ 芏 套 皇 ∽ 当 兽 卜 T e m p e r a t u r e ／℃ 图3A I C o C r F e N i 高熵合金的抗拉强度和 延伸率与时效温度的关系 F i g ．3 V a r i a t i o no ft e n s i l es t r e s sa n dp l a s t i c s t r a i no fA I o ．5C o C r F e N ia l l o y sa f t e ra g i n g t r e a t m e n tf o r2 4ha td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e 3结论 1 时效处理前后，A l 。．。C o C r F e N i 高熵合金均 由简单的体心立方结构相和面心立方结构相组成， 形成的相数远远低于平衡相律所预测的相数。但 是，随着时效温度的升高，体心立方结构相数量增 加； 2 A I 呲C o C r F e N i 合金铸态组织为典型的树 枝晶。当时效温度较低时 6 0 0 ℃ ，枝晶间组织开 始回溶。随着时效温度继续升高，树枝晶析出富 A l 、N i 的针状第二相。同时，第二相数量随着时效 温度的升高而增加； 3 随着时效温度的升高，合金的抗拉强度不断 增大，而延伸率则先增大后减小。 参考文献 I - 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C r - A 1 - F e - T i - V a l l o y s w i t hm u h i p r i n c i p a lm e t a l l i ce l e m e n t s [ J ] ．M e t a l l u r g i c a l a n dM 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 8 2 5 3 3 2 5 3 6 ． [ 8 ] 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 ． [ 9 ] T o n gCJ ，C h e nYL ，C h e nSK ，e ta 1 ．M i c r o s t r u c t u r e C h a r a c t e r i z a t i o no fA l x C o C r C u F e N iH i g h E n t r o p yA l l o y S y s t e mw i t hM u h i p r i n c i p a lE l e m e n t s [ J ] ．M e t a l l u r g i c a l a n dM a t e r i a l sT r a n s a c t i o n sA ，2 0 0 5 ，3 6 4 8 8 1 8 9 3 ． [ 1 0 ] T o n gCJ ，C h e nMR ，C h e nSK ，e ta 1 ．M e c h a n i c a l P e r f o r m a n c eo ft h eA l x C o C r C u F e N iH i g h E n t r o p yA 1 l o yS y s t e mw i t hM u l t i p r i n c i p a lE l e m e n t s [ J ] ．M e t a l l u r g i c a la n dM a t e r i a l sT r a n s a c t i o n sA ，2 0 0 5 ，3 6 5 1 2 6 3 1 2 7 1 ． [ 1 1 ] S m i t hWF ．S t r u c t u r ea n dP r o p e r t i e so fE n g i n e e r i n g A l l o y s [ M ] ．2 n d ．N e wY o r k M c G r a w H i l lC o l l e g e ， 1 9 9 3 1 5 6 8 ． [ 12 ] 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 [ M ] ．S i n g a p o r e M c G r a w - H i l lB o o kC o m p a n y ，1 9 9 4 2 2 7 2 4 0 ． 疆，II一嚣置研。口昌ld 万方数据