1、 文章编号:1 6 7 3-5 1 9 6(2 0 2 3)0 1-0 0 0 1-0 6均匀化处理对F e基中熵合金组织及力学性能影响赵燕春*,师自强,张林浩,张敏亚,寇生中(兰州理工大学 省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室,甘肃 兰州 7 3 0 0 5 0)摘要:采用水冷铜坩埚磁悬浮熔炼-铜模负压吸铸法制备了(F e6 3.3M n1 4S i9.1C r9.8C3.8)9 8.5Y1.5(Y=C u、A g)、(F e6 3.3M n1 4S i9.1C r9.8C3.8)9 7C u1.5A g1.5中熵合金.通过建立均匀化动力学方程,研究了均匀化温度和时间对力学性能的影
2、响.对(F e6 3.3M n1 4S i9.1C r9.8C3.8)9 8.5Y1.5(Y=C u、A g)、(F e6 3.3M n1 4S i9.1C r9.8C3.8)9 7C u1.5A g1.5中熵合金分别在8 7 3、9 7 3、10 7 3、11 7 3、12 7 3K进行6h均匀化处理,研究其组织结构和压缩性能的关系.结果表明:通过施加均匀化处理使合金元素均匀分布、偏析显著减少,11 7 3K均匀化处理后合金具有好的相稳定性,仍为f c c结构.在11 7 3K时,(F e6 3.3M n1 4S i9.1C r9.8C3.8)9 7C u1.5A g1.5中熵合金的压缩力学
3、性能最优,其抗压强度及塑性应变分别为39 9 2.4MP a和3 5.7 5%,且实验结果与均匀化扩散动力学方程计算预测相符.关键词:中熵合金;均匀化处理;扩散动力学;微观结构;力学性能中图分类号:T G 1 3 9.8 文献标志码:AE f f e c t o fh o m o g e n i z a t i o nt r e a t m e n t o nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fF e-b a s e dm e d i u me n t r o p ya l
4、l o y sZ HAOY a n-c h u n,S H IZ i-q i a n g,Z HAN GL i n-h a o,Z HAN G M i n-y a,KOUS h e n g-z h o n g(S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fA d v a n c e dP r o c e s s i n ga n dR e c y c l i n go fN o n f e r r o u sM e t a l s,L a n z h o uU n i v.o fT e c h.,L a n z h o u 7 3 0 0 5 0,C h i n a)
5、A b s t r a c t:T h e(F e6 3.3M n1 4S i9.1C r9.8C3.8)9 8.5Y1.5(Y=C u、A g)、(F e6 3.3M n1 4S i9.1C r9.8C3.8)9 7C u1.5A g1.5w e r ep r e p a r e db yw a t e r-c o o l e dc o p p e r c r u c i b l em a g n e t i c l e v i t a t i o nm e l t i n g-c o p p e rm o l dn e g a t i v ep r e s s u r e s u c t
6、i o nc a s t i n gm e t h o d.T h ee f f e c to fh o m o g e n i z a t i o nt e m p e r a t u r ea n dt i m eo nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw a ss t u d i e db ye s t a b l i s h i n gt h eu n i f o r m i z a t i o nk i n e t i ce q u a t i o n.(F e6 3.3M n1 4S i9.1C r9.8C3.8)9 8.5Y1.5(Y=C
7、 u、A g)a n d(F e6 3.3M n1 4S i9.1C r9.8C3.8)9 7C u1.5A g1.5m e d i u me n t r o p ya l l o y sw e r eh o m o g e n i z e da t 8 7 3,9 7 3,10 7 3,11 7 3,12 7 3K,r e s p e c t i v e l y.T h e r e l a t i o n s h i pw a s i n v e s t i g a t e db e t w e e n i t so r g a n i z a t i o n a l s t r u c t
8、 u r ea n dc o m p r e s s i o np e r f o r m a n c e.T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h eu n i f o r md i s t r i b u t i o no f a l l o y i n ge l e m e n t s i s a p p l i e da n d t h e s e g r e g a t i o n i s s i g n i f i c a n t l yr e d u c e d,T h eh o m o g e n i z a t i o na l
9、l o y i sp h a s e s t a b l ea n ds t i l lh a sa nf c cs t r u c t u r ea t 11 7 3K,a n dt h ec o m p r e s s i v em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so f t h e e n t r o p y a l l o yo f(F e6 3.3M n1 4S i9.1C r9.8C3.8)9 7C u1.5A g1.5i s t h eb e s t a t 11 7 3K,a n d t h ec o m p r e s s i v e
10、s t r e n g t ha n dp l a s t i c s t r a i nw e r e39 9 2.4MP aa n d3 5.7 5%,r e s p e c t i v e l y,a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r ec o n s i s t e n tw i t ht h ec a l c u l a t i o n a l p r e d i c t i o no f t h ee q u a t i o no fh o m o g e n i z a t i o nd i f f u s i o
11、 nk i n e t-i c s.K e yw o r d s:ME A s;h o m o g e n i z a t i o n;d i f f u s i o nk i n e t i c s;m i c r o s t r u c t u r e;m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s 高熵和中熵合金因其独特的元素组成、优异的力学性能及稳定的结构而被广泛关注.自叶均蔚1定义高熵合金以来,研究者不断丰富高熵合金范围形成第二代和第三代高熵合金2-3.高熵合金已被报 收稿日期:2 0 2 2-0 2-2 8 基金项目:国家自然科学基金(5 2 0 6
12、 1 0 2 7),甘肃省科技计划(2 2 C X 8 GA 1 0 9,2 2 Y F 7 GA 1 5 5)通讯作者:赵燕春(1 9 8 4-),女,山东菏泽人,博士,教授.E m a i l:y a n c h u n_z h a o 1 6 3.c o m道在宽温域范围内具有很多优异的性质4-6,如高温变形下合金的力学和耐蚀性能7-8,以及在低温下强塑性的同步提升9,甚至运用在核用抗辐照、催化和储能超导等领域1 0-1 1.随着研究的不断深入,发现中高熵合金各组分在晶格上并非都是随机占位的完美固溶体,而是由于中熵合金中众多原子物理性质各异而带来元素在原子尺度上的不均匀性,尤其当合金体系
13、中出现元素性质迥异时,如体系中元素间的第4 9卷第1期2 0 2 3年2月兰 州 理 工 大 学 学 报J o u r n a l o fL a n z h o uU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g yV o l.4 9 N o.1F e b.2 0 2 3原子半径、电负性等相差极大时,更会加剧这种不均匀性1 2.这种合金成分的不均匀性与中熵合金的“缓慢扩散效应”有关,其固溶体相中每个晶格位置的周围原子比传统合金更具有多样性,由于每个元素含量相当,没有占主导地位的溶剂元素,其每个晶格位置周围都是不同原子以及不同的键型,因而也具有不同的晶格势能1 3.
14、因此,适当工艺的均匀化处理可以通过组分扩散有效改善其不均匀性1 4.C h e n等1 5研究了亚稳态F e4 0C o2 0C r2 0M n1 0N i1 0高熵合金晶粒尺寸依赖性变形行为,结果表明,马氏体相变表现出强烈的晶粒尺寸依赖性,相比1 2m的晶粒,4 1m晶粒中马氏体相变程度更高,而晶粒尺寸较小的高熵合金在变形初期表现出较高的应变硬化速率,但由于马氏体相变程度较低,变形后期的应变硬化速率较低.L i n等1 6研制了具有单相面心立方结构的F e5 0M n1 7.5C r1 2.5C o1 0N i5S i5中熵合金,并在样品经均匀化、热轧、冷轧及退火后,对粒度1 0 1 4 9
15、m、完全再结晶的中熵合金试样进行拉伸力学性能测试,结果表明,断后试样微 观结构显示 从F C C结构向密排六方结构的HC P转变,合金层错能显著降低,T R I P效应使得合金表现出更优越的屈服强度和拉伸强度.喇培清等1 7对7 0 0/1 2h、8 0 0/6h、10 0 0/3h不同温度和时间退火态M o C r F e M n N i高熵合金进行研究,结果显示,晶体结构主要由B C C相、F C C相以及少量相组成,枝晶区域为B C C结构,富含M o和C r元素,枝晶间区域为F C C结构,富含N i元素.随着退火温度的上升,枝晶间逐渐析出纳米级相,使得合金硬度上升.赵燕春等1 8研究
16、了F e-1 5 M n-5 S i-1 0 C r-xC(x=0.61.0)铁基非晶合金复合材料中C元素含量变化对合金热力学参数的影响,其组织和室温力学行为研究表明,合金铸态组织由非晶相和过冷-F e奥氏体相组成,在压应力加载过程中发生马氏体相变并表现出 显 著 的 加 工 硬 化.L i等1 9设 计 了F C C-HC P双相高熵合金,并通过降低相稳定性实现了晶界强化从而提高了合金强度,并通过稳定相的位错强化以及亚稳相的相变诱导提高了合金塑性,实现了强 度-塑 性 的 平 衡.龚 子 杰 等2 0研 究 了M n F e-C o N i C u中C u元素对其微观组织及力学性能的影响,发现C u-N i、C u-F e以及C u-M n间具有不同程度的不相容性,凝固时易在枝晶间富集,具有偏析倾向,其通过均匀化热处理完全消除了这种偏析现象.Y a n g等2 1通过热力学计算,提出了一种新的亚稳高熵合金体系F e5 0C o3 0C r1 0V1 0N i5-xM nx(x=1,2,5),研究了室温以及低温下的变形机制与应变硬化行为之间的关系,阐明了变形诱发的马氏体转变对拉伸强度的
