CrMnFeCoNi高熵合金溶质偏析与碳化物析出强化研究

摘要

高熵合金一般指由五种或以上主元按（近）等原子比组成的合金，由于包含主元数量多，也被称为多主元合金。多主元的设计理念颠覆了传统金属材料的概念，为新合金的设计提供了新思路。在众多高熵合金体系中，仅有有限的合金能够形成单相固溶体。其中，被广泛研究的等原子比CrMnFeCoNi高熵合金即是一种典型的具有面心立方（FCC）晶格结构的单相固溶体合金，该合金具有许多优异的力学性能，尤其是韧性。 CrMnFeCoNi高熵合金的单相结构决定了其屈服强度仍然处于较低水平，因此当前的研究的主要焦点之一就是强化，以满足工程应用的需求。本文以强化为主要目的，采用的思路是偏析强化和析出强化。1.偏析强化基于高熵合金组元多，容易产生偏析，元素偏析可迟滞再结晶过程中晶粒生长从而降低晶粒尺寸，同时偏析导致的溶质场的改变可能会阻碍位错运动，二者共同作用可有望提高合金的强度。2.沉淀强化是一种具有优异强化效果的方法。本文采用原位析出多级尺寸NbC的方法强化合金，并分析强化的机理。 溶质偏析会对钢、铝镁等合金的力学性能都可产生不同程度的影响。本文通过直接冷轧铸锭，之后在不同温度下进行一系列时间再结晶退火，获得具有不同晶粒尺寸的等轴晶组织。结果表明，冷轧样在800℃/1h及以上条件均能发生完全再结晶，得到溶质偏析的等轴晶组织，且该偏析并不受晶界（或晶内）位置影响，Cr、Fe和Co三元素富集于同一区域，而Mn和Ni富集于相邻区域，判定该溶质偏析是由铸态成分偏析遗留而来。与经过成分均匀化处理的CrMnFeCoNi高熵合金相比，溶质偏析合金晶粒更为细小，晶粒生长仍遵循典型的晶粒粗化动力学，但是有更高的幂指数3.33和高激活能392.4kJ/mol，表明偏析的溶质产生了溶质拖曳效果，使元素扩散更加困难，有效地细化了晶粒。在力学性能上，本研究合金其屈服强度表现出了良好的Hall-Petch关系，且溶质偏析使得合金的固有强度升高至213.9MPa，但是降低了Hall-Petch系数，所以溶质偏析能够有效的提高合金的强度，但会降低合金晶界强化效率。 在各种强化机制中，沉淀强化能取得最好的强化效果。通过向合金中引入Nb和C，本文制备了CrMnFeCoNi-xNb-xC（at.%）（x=0、0.1、0.2、0.4和0.8）高熵合金，在合金中析出了多级尺寸的碳化物。在固溶处理中未溶解的碳化物呈不连续带状分布，尺寸在微米级；溶解的Nb和C在再结晶退火过程中沉淀析出，生成两类碳化物：在晶界和晶内随机分布、尺寸在50nm左右的球状NbC以及主要分布在晶界、尺寸在亚微米级、具有不规则形状的富Cr碳化物。由于固溶的Nb的溶质拖曳作用和碳化物的钉扎效应，使得合金再结晶时晶粒尺寸减小。在塑性损失较少的前提下，由于碳化物显著的析出强化而使得室温屈服强度大幅提升。例如在0.8at.%Nb/C添加量时，室温屈服强度由基体合金的353MPa提高至732MPa，断裂延伸率仍有31.9%。由于碳化物颗粒对位错的钉轧作用，引起应力集中诱发室温拉伸时变形孪晶的产生，使室温拉伸变形机制发生改变，且变形孪晶的数量随Nb/C添加量的提高而增加。碳化物同样能够提升合金在高温条件下的表现。在400、600℃时，多级尺寸的碳化物对于合金仍然有很好的强化效果，温度上升至800℃，合金基体发生软化，碳化物强化效果消失但是会大幅提高合金塑性。Nb、C引入也使得高温拉伸曲线中的锯齿波动类型发生转变。 上述研究表明，通过本文的偏析强化，可以降低晶粒尺寸，提高合金的屈服强度，阐述了成分偏析的溶质拖曳作用以及对合金固有强度的影响。从工程意义来讲，取消了高温均匀化处理不仅大大节约了成本提高了制备效率，而且还能有效地控制合金显微组织提升强度。而采用NbC析出强化，在不改变工序的情况下，强度得到显著提升，不仅简化了合金设计，而且拓宽了合金使用范围。如果将上述两种方法有机整合，可能会进一步提高CrMnFeCoNi高熵合金的强度，提高效率。

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