1、第44卷第7期2 0 2 3 年 7 月材 料 热 处 理 学 报TRANSACTIONS OF MATERIALS AND HEAT TREATMENTVol.44 No.7July2023DOI:10.13289/j.issn.1009-6264.2022-0627Ti 对富 Fe 非等原子比高熵合金组织与性能的影响王书亮1,李奇霖1,毛一点1,西宇辰1,董立谨1,张华礼2(1.西南石油大学新能源与材料学院,四川 成都 610500;2.中国石油西南油气田公司工程技术研究院,四川 成都 610017)摘 要:在各元素成相作用和降低成本的基础上,利用机械球磨与放电等离子烧结的方法成功制备了一
2、种富铁非等原子比Fe45Cr15Co10Ni30高熵合金。在该合金中通过降低 Co 和 Ni 的方式引入 Ti 元素,并研究了 Ti 的含量对合金力学性能的影响。结果表明:与 Fe45Cr15Co10Ni30合金相比,含 Ti 的高熵合金出现了富 Ti 的 BCC 相;随着 Ti 含量的增加,FeCrCoNiTi 高熵合金的微观组织发生了变化,富 Ti 的 BCC 相颗粒变得细小,相的形貌与分布也出现了变化,导致合金的硬度、屈服强度和抗拉强度先升高后降低,应变率逐渐降低,其中 Fe45Cr15Co6Ni26Ti8合金的综合性能最好,硬度为(404.26.3)HV0.3,屈服强度与抗压强度分别达
3、到最高的(103612)MPa 和(188310)MPa,应变率也维持了较高的水准,为(47.13.3)%。关键词:富铁;机械球磨;放电等离子烧结;高熵合金;力学性能中图分类号:TG139.8 文献标志码:A 文章编号:1009-6264(2023)07-0090-09收稿日期:2022-12-09 修订日期:2023-02-16基金项目:钒钛资源综合利用产业技术创新战略联盟协同研发项目 作者简介:王书亮(1978),男,副教授,博士,主要从事金属材料及腐蚀与防护研究,发表论文 20 余篇,E-mail:wsliang1465 。引用格式:王书亮,李奇霖,毛一点,等.Ti 对富 Fe 非等原子
4、比高熵合金组织与性能的影响J.材料热处理学报,2023,44(7):90-98.WANG Shu-liang,LI Qi-lin,MAO Yi-dian,et al.Effect of Ti on microstructure and properties of Fe-rich non-isoatomic ratio high entropy alloyJ.Transactions of Materials and Heat Treatment,2023,44(7):90-98.Effect of Ti on microstructure and properties of Fe-rich n
5、on-isoatomic ratio high entropy alloyWANG Shu-liang1,LI Qi-lin1,MAO Yi-dian1,XI Yu-chen1,DONG Li-jin1,ZHANG Hua-li2(1.School of New Energy and Materials,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China;2.Petrochina Southwest Oil and Gas Field Company Engineering Technology Research Institute,Chen
6、gdu 610017,China)Abstract:On the basis of the phase formation of various elements and the reduction of cost,an Fe-rich non-isoatomic ratio Fe45Cr15Co10Ni30 high entropy alloy was successfully prepared by mechanical ball milling and spark plasma sintering.Ti element was introduced into the alloy by r
7、educing Co and Ni,and the effect of Ti content on the mechanical properties of the alloy was studied.The results show that compared with the Fe45Cr15Co10Ni30 alloy,Ti-rich BCC phase appears in the Ti-containing high entropy alloys.With the increase of Ti content,the microstructure of the FeCrCoNiTi
8、high entropy alloys has changed,the Ti-rich BCC phase particles have become smaller,and the morphology and distribution of the phase have also changed,leading to the fact that the hardness,yield strength and tensile strength of the alloy first increases and then decreases,and the strain rate gradual
9、ly decreases.Among them,the Fe45Cr15Co6Ni26Ti8 alloy has the best comprehensive performance,with the hardness of(404.26.3)HV0.3,the yield strength and compressive strength of(1036 12)MPa and(1883 10)MPa respectively,and the strain rate also maintains a high level of(47.13.3)%.Keywords:Fe-rich;mechan
10、ical ball milling;spark plasma sintering;high entropy alloy;mechanical property高熵合金的提出打破了传统的合金设计理念1-2,拓宽了合金的研究空间,这种具有多主元元素的合金设计新方法促成了“高熵合金”(HEAs)的形成。高熵合金具有传统合金不具备的某些效应,包括高熵效应、迟滞扩散效应、晶格畸变效应和鸡尾酒效应。通过成分优化设计,高熵合金比传统合金具有更大的性能优势,如高硬度、强度和较好的塑性3-4、优越的热稳定性5-6、良好的耐腐蚀性7-8和高耐磨性第 7 期王书亮等:Ti 对富 Fe 非等原子比高熵合金组织与性能的
11、影响 等9-10。因此,高熵合金在航空航天、电子、机械制造、冶金、化工、能源等多个领域具有广阔的应用前景11-12。以往的研究表明,高熵合金中足够高的混合熵抑制了金属间化合物的形成,使得高熵合金容易得到如面心立方结构(FCC)、体心立方结构(BCC)等简单固溶体相13-14。一般来说,FCC 固溶体相延展性较好,但强度较低,而 BCC 固溶体相抗变形能力较强但延展性较差15-16,因此,具有面心立方结构的合金需要提高强度,体心立方结构的合金需要提高塑性。为了扩大材料的应用范围,人们多次试图在延展性和强度之间取得合理的平衡17。为了保证高熵合金基体具有良好的塑性,选择得到广泛研究的 FeCrCo
12、Ni 系高熵合金。同时在此基础上引入其他元素强化基体,以此提升高熵合金的综合力学性能。Ti 作为元素周期表中 FeCrCoNi 几种合金元素的“邻居”,很容易与其形成简单的固溶体。Ti 的加入不仅会影响基体的晶粒尺寸、沉淀相和沉淀相的体积分数,而且还会显著改变高熵合金的强度与塑性18-19。此外,Ti 还能提高高熵合金的耐腐蚀性20。因此,在 FeCrCoNi 系高熵合 金 中 加 入 Ti 元 素,有 望 获 得 理 想 的 综 合性能21。早期,高熵合金的研究主要基于等原子比体系合金展开,而随着研究的深入,近年来对高熵合金的研究已逐步转移至非等原子比体系高熵合金的设计上22-23。同时发现
13、,合理的非等原子比高熵合金设计不仅能使合金保持与等原子比时一致的晶型结构,还能有效控制贵金属用量,降低成本以及调整合金力学性能24。在 FeCrCoNi 系高熵合金中,Cr 元素具有较高的耐腐蚀性能,但含量过高的Cr 元素会使合金产生复杂的多相结构从而引起性能的恶化,有研究发现,保持 Cr 含量在 1216 at%时,材料能表现出良好的阻尼性能25-26,因此 Cr 元素的含量达到不锈钢的标准即可。Co 与 Ni 不仅可以作为 FCC 相结构的稳定剂,同时可以抑制其他二次相的出现27-28,也有研究指出 Ni 比 Co 更能促进FCC 固溶体相的形成,1.11 倍的 Co 对于 FCC 固溶体
14、相的稳定作用与 1 倍的 Ni 效果相当29。因此,在合金设计的选择上,大量廉价的 Fe 元素(45 at%)作为主体,Cr 元素(15 at%)的含量保持适宜,而利用 Ni元素经济适用性更高和 Ni、Co 之间可相互替代的特点,增加部分 Ni 元素(30 at%)的含量取代 Co 元素(10 at%)以此降低成本,设计出经济适用性更强且保持良好力学性能的 Fe45Cr15Co10Ni30高熵合金。基于 此,本 文 通 过 添 加 不 同 含 量 的 Ti 元 素,在Fe45Cr15Co10Ni30高熵合金的设计基础上逐步减少Co、Ni 的用量以此提升合金的经济适用性并提升合金的综合力学性能,
15、设计出以下 4 种不同 Ti 含量的高 熵 合 金(原 子 分 数,%):Fe45Cr15Co8Ni28Ti4、Fe45Cr15Co6Ni26Ti8、Fe45Cr15Co4Ni24Ti12、Fe45Cr15Co2Ni22Ti16,后文分别简称为 Ti4、Ti8、Ti12、Ti16,并研究了 Ti 对富Fe 非等原子比高熵合金组织与性能的影响,旨在为非等原子比 FeCrCoNi 高熵合金的后续研究提供参考。1 试验材料与方法 采用机械球磨的方式制备高熵合金粉末,试验原料为 Fe、Cr、Co、Ni、Ti 粉末,粒度 325 目,纯度大于99.9%,采用不锈钢球磨罐,球料比为 10 1,为了防止粉末
16、团聚,同时减少冷焊与氧化所造成的影响,加入适量叔丁醇作为过程控制剂。将球磨罐置于行星式球磨机中,转速保持 300 r/min,球磨 36 h,同时分别在球磨 5、15、25 和 36 h 后取样,以期了解粉末在球磨过程中的变化,球磨完成后取出粉末放入冰箱冷冻 12 h,再置于冷冻干燥机中干燥 24 h,最后采用放电等离子烧结的方式进行制备高熵合金试样,升温速率为 100 /min,温度保持在 1000,压力 40 MPa,保温保压 10 min,烧结结束后利用线切割机进行切割取样。采用 EVO MA15 型扫描电镜(SEM)及其附带的能谱仪(EDS)对合金的微观组织进行分析。采用 X Pert PRO MPD 型 X 射线衍射仪(Cu 靶,波长 =1.5418)表征合金的晶体结构,步进量为 0.0167,上述试样均需用砂纸打磨后抛光。采用 HVS-1000 型数显式显微硬度计测试合金的维氏硬度,测试载荷为300 g,加载时间为 15 s,等间距(0.5 mm)测试 10 个点求得其平均值作为维氏硬度测试值。采用 WDW-100E 型万能试验机测试合金的压缩性能,应变速率为 0.5 mm