耐高温高熵合金的成分设计和性能优化

摘要

高熵合金是由至少四种主元形成的固溶体合金，其基本特征是混合熵高，合金相以简单固溶体为主，其综合性能优异，如硬度高、韧性好、良好的耐磨性和耐蚀性等。特别是在高温条件下，高熵合金的相结构稳定、强度高，有望成为新一代高温工程结构材料。
　　本文结合计算机模拟相图（CALPHAD）、第一性原理密度泛函计算（DFT）和物化参数判据，设计了NbTaV-(Ti, Mo, W)耐高温高熵合金系，采用高真空电弧熔炼法成功制备出这五种合金，并研究了合金的铸态微观组织结构、力学性能和强化机制。主要研究结果如下:
　　（1）制备的NbTaTiV、NbTaVW、NbTaTiVW、MoNbTaV和MoNbTaTiV五种耐高温高熵合金均为单相体心立方结构固溶体。在室温下，五种合金均呈现高强度大塑性，其中MoNbTaTiV综合性能优异，屈服强度1.4 GPa，断裂强度2.45 GPa，塑性达到30％；在温度为1273 K时，NbTaTiVW的硬度是镍基高温合金In718和In718 H的2.5倍。研究表明，钛元素的添加有利于提高合金塑性；钼、钨元素的添加有利于提高合金强度。
　　（2）与建立在Miedema模型的物化参数判据相比，CALPHAD计算不仅可以模拟合金的平衡和非平衡相图，还能有效地描述固相和液相的热力学性质随温度的变化，并且预测在非平衡凝固过程中合金各组元的微观偏析。
　　（3）NbTaV-(Ti, Mo, W)五种高熵合金的晶格常数均符合混合定律；通过DFT计算表明,每种合金的原子体积和弹性性质（体模量和剪切模量）也符合混合定律。
　　（4）通过统计多种单相体心立方结构耐高温高熵合金在室温下的力学性能，发现合金硬度约为其屈服强度的三倍，合金的主要强化机制为固溶强化。建立了适用于铸态体心立方结构高熵合金的半经验模型，可以有效预测合金的屈服强度和硬度。

目录

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 高熵合金概述

1.3 高熵合金的相形成规律

1.4 高熵合金的力学性能

1.5 本文的研究思路

第二章 数值模拟方法和实验方法

2.1 数值模拟方法

2.2 实验方法

第三章 NbTaV-(Ti, Mo, W)合金系的相形成规律

3.1 CALPHAD计算

3.2 物化参数判据

3.3 液相和固相的热力学性质

本章小结

第四章 NbTaV-(Ti, Mo, W)合金系的微观组织结构

4.1 晶体结构

4.2 微观组织

4.3 微区成分偏析

本章小结

第五章 NbTaV-(Ti, Mo, W)合金系的力学性能

5.1 室温压缩

5.2 室温硬度

5.3 高温硬度

5.4 DFT计算

5.5 固溶强化

本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文