粉末冶金制备AlNiCrFeCuMo_x高熵合金及其性能
粉末冶金法制备Mo-Cu合金及其性能的研究
W ANG Ti a n g u o ,LI ANG Qi c h a o ,QI N Qu n
( S c h o o l o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g,Hu b e i Un i v e r s i t y o f Au t o mo t i v e Te c h n o l o g y,S h i y a n 4 4 2 0 0 2 )
0 引言
Mo - C u 合 金 因其具 有 优 良的导 热 、 导电性能, 以及 与 陶 瓷基 片 良好匹配 的热 膨 胀 系 数 而被 广 泛 应 用 于热 沉 材 料 和 电子 封装 材料 , 并 受 到 国 内外 工 作 者们 的 关 注 和 研 究 [ 1 ] 。 Mo - C u 合 金是 由膨 胀系 数低 的 Mo 和 热导率 高 的 C u 通 过粉 末 冶金 方 法制得 的一 种 假 合 金 。Mo 、 C u 在 常规 条 件下 润 湿 性 很差 。Mo 的熔 点高 达 2 6 2 2℃, 而 且 Mo 、 C u在 高温 下 极 易氧 化 , 用熔 炼 的方法 制备 Mo — C u合 金极 其 困难 , 并 且所 制 得 的材料 常存在 微 观组 织 分 布不 均 匀 等 问题 _ 5 ] , 不 能充 分 发 挥该 材料 的优 点 。本研 究 旨在 寻 求 高致 密化 和 高 性 能 的 Mo - C u 合 金 的制 备 工 艺 , 通 过 采 用 粉 末 冶金 法 制 备 Mo - C u 复合 合金 材料 , 探讨 了不 同烧 结 工艺 对合 金 材料 的显 微组 织
Ab s t r a c t Mo - Cu a l l o y wi t h h i g h t h e r ma l c o n d u c t i v i t y,g o o d e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y a n d g o o d ma t c h i n g o f c e —
高熵合金AlxFeCrCoNi微观组织与力学性能研究
西 安 工 业 大 学 学 报
Journal of Xi’an Technological University
DOI:10.16185/j.jxatu.edu.cn.2018.02.008
Hale Waihona Puke V oL 38 N o.2 Apr.2018
高熵 合 金 A1zFeCrCoNi微 观 组 织 与 力学 性 能 研 究
关 键词 : 高熵合金 ;微观 组 织 ;力 学性 能 ;拉 伸
中 图 号 : TG14
文 献 标 志 码 : A
文 章 编 号 : 1673—9965(2018)02—0140—07
Study on M icrostructure and M echanical Properties of AI FeCrCoNi H igh Entropy Alloy
Abstract: At FeCrCoNi high entropy alloy was prepared by vacuum arc furnace smelting in order to discuss the effect of A 1 content on microstructure and m echanical properties of AI FeCrCoNi high entropy alloy.The m icrostructure of the alloy w as analyzed by X —ray diffraction,optical m icroscope and scanning electron microscope.The m echanical properties of the alloy were studied by the Vickers hardness tester,tensile testing m achine.The results show :The strength and hardness increase w ith the inerease of A1 content.and the m icro structure of the cell dendrites iS transformed into colum nar dendrites.The high entropy alloy has the best performance of mechanical property when 一 0.4.W hen z一 0.5。the em ergence of the BCC solid solutions of A 1一N i lcads to a decrease in plasticity,w hich causes the m aterial structure to change from a single face—centered cubic to a face—centered cubic and a sm all am ount of body—centered cubic. K ey words: high—entropy alloy;m icrostrueture; m echanical properties;stretch
无坩埚气雾化制备alcrfeconi2.1高熵合金粉末的显微组织和性能
均粒径D mean为68.8 ym。 表 1 AlCrFeCoNi2.i
高爛合金粉末筛分粒度组成
粒度/岬
> 150 53 ~ 150 15-53 < 15
熔炼功率为40kW ~42kW,雾化压力为4.5MPa~
5.5MPa时,AlCrFeCoNiz.i高爛合金的雾化效果最 好。因此,本实验以此为基本雾化工艺条件开展相
金粉末筛分粒度组成,粒度为W 150ym的粉末占比
表2 AlCoCrFeNi2.i高爛合金粉末元素含量
wt. %
A1
Cr
Fe
Co
Ni
0
理论值 棒料
粉末态
附带的能谱仪测量元素含量的分布,利用XRD衍 射仪和同步热分析仪分析其物相组成和相变温度,
图2 AlCrFeCoNi2.i高爛合金粉末粒度分布
采用电感耦合等离子发射光谱仪(ICP - OES)测量 粉末的元素含量。同时,采用霍尔流速计测定粉末 的松装密度和流动性。
2.2化学成分 表2为AlCrFeCoNiz.i高爛合金粉末化学成分的
关键词:AlCrFeCoNi2.1;高爛合金粉末;无绘堀气雾化 粉末特性
0前言
高爛合金(HEAs)由于热力学上的高爛效应、动 力学上的迟滞扩散效应、结构上的晶格畸变效应和 性能上的鸡尾酒混合效应,容易形成简单面心立方 (face - centered cubic, FCC)、简单体心立方(body centeredcubic, BCC)或密排六方(hexagonal closed packed, HCP)结构并可能伴有晶间化合物以及纳米 晶,从而使高爛合金在性能上比传统合金具有更大 的优势,如高强度、高硬度、高耐蚀性、高耐热性、特 殊的电学和磁学性质等特性⑴。一般而言,FCC结 构的高爛合金具有良好的热力学稳定性、超强的延 展性和显著的加工硬化性能,但强度低;BCC结构 的高爛合金强度高,但是延展性较差⑵。AlCrFeCoNiz.i高爛合金由于具有高的强度和延展性 ,可适 用于各种工程应用,引起了人们的广泛关注。目 前,主要采用真空电弧熔炼、铜模吸铸和真空感应 熔炼等传统方法制备铸态高爛合金,但上述方法不 可避免地存在组分偏析、晶粒粗大、缩松和气孔等 缺陷,且上述方法制备的HEAs有限的形状和尺寸 也限制了其应用。
粉末冶金含氮高熵合金高温氧化性能的研究
Science &Technology Vision科技视界0前言高熵合金具有独特的效应:高熵效应,晶格畸变效应,缓慢扩散效应和“鸡尾酒”效[1-3],这些效应使其具有一系列优异的性能[4-8]。
其中,高熵合金的缓慢扩散效应会抑制各主元扩散至合金的表面而产生氧化,使得合金具有优异的高温抗氧化性能[9-12]。
蒋积超等人[13]研究AlCuTiFeNiCr 与AlCuTiFeNiCrSi 高熵合金时,发现在850℃氧化温度下这两种合金均具有良好的抗氧化性能,合金表面覆盖着荷花状组织,阻碍各主元发生氧化反应,从而使该合金具有更加优异的抗氧化性能。
Holcomb 等人[14]研究CoCrFeNiMn 、CoCrFeNi 以及CoFeNiMn 高熵合金在650℃与750℃氧化1100h 后的抗氧化性能,发现Mn 元素不利于合金的抗氧化,但Cr 元素有助于提高合金的抗氧化性能;Kai 等人[15]研究FeCoCrNiMn 高熵合金的在950℃以及10~105MPa 氧分压下的氧化行为,发现该合金的氧化速率随氧分压的增大而变大。
还有研究表明[16]:高熵合金中添加Al 、Cr 、Si 等元素,有利于提高合金系统的高温氧化性能。
目前,针对含有非金属元素的FeCoCrNiMn 高熵合金的高温氧化性能的研究较少。
因此,本文制备了不同含氮量的FeCoCrNiMnNX 系高熵合金,研究N 元素对FeCoCrNiMn 高熵合金的高温抗氧化性能影响。
1实验方法1.1样品制备采用粉末冶金法制备CoCrFeMnNiNX (x =0,0.1,0.2,0.3)高熵合金块体。
具体工艺参数见文献[17]。
采用线切割方法从高熵合金块体中切出尺寸为10mm ×10mm ×4mm 的试样,进行高温氧化性能测试。
1.2高温氧化性能测定采用SX2-4-13T 型箱式电阻炉进行高温氧化实验,氧化温度分别为800℃、900℃、1000℃,每保温10h 后取出高熵合金试样至冷却到室温,再进行称量记作者简介:陈佳(2001—),女,汉族,福州长乐人,研究方向为高熵合金。
《高熵合金CoCuFeNiX-Al复合材料的制备与性能研究》
《高熵合金CoCuFeN i X-Al复合材料的制备与性能研究》高熵合金CoCuFeN i X-Al复合材料的制备与性能研究高熵合金CoCuFeNix/Al复合材料的制备与性能研究一、引言高熵合金,由多种主要元素组成的合金,以其出色的机械性能、抗腐蚀性和高温稳定性,近年来受到了广泛的关注。
本篇论文主要研究高熵合金CoCuFeNix与Al复合材料的制备工艺及其性能表现。
我们期望通过研究,探索出更有效的制备方法,同时深入了解其性能特点,为实际工业应用提供理论依据。
二、材料与方法1. 材料准备我们选用Co、Cu、Fe、N、Ni以及Al等元素作为研究对象。
首先将各元素按所需比例进行称重并准备,以制备高熵合金CoCuFeNix。
2. 制备方法我们采用真空电弧熔炼法进行合金的制备,然后通过机械合金化法将Al元素引入到高熵合金中,形成CoCuFeNix/Al复合材料。
3. 性能测试利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)等手段对材料进行微观结构分析,并使用硬度计、拉伸试验机等设备进行性能测试。
三、实验结果1. 微观结构分析XRD结果显示,高熵合金CoCuFeNix/Al复合材料具有面心立方(FCC)和体心立方(BCC)混合结构。
SEM图像显示,合金中各元素分布均匀,无明显相分离现象。
2. 性能测试结果硬度测试显示,CoCuFeNix/Al复合材料具有较高的硬度值。
拉伸试验结果表明,该复合材料具有较好的延展性和抗拉强度。
此外,我们还对材料的抗腐蚀性进行了测试,发现其具有优异的抗腐蚀性能。
四、讨论本实验成功制备了高熵合金CoCuFeNix/Al复合材料,并对其微观结构和性能进行了详细研究。
结果发现,该复合材料具有优异的机械性能、抗腐蚀性和高温稳定性。
这主要归因于高熵效应以及各元素之间的协同作用。
此外,Al元素的引入进一步提高了材料的硬度、延展性和抗拉强度。
五、结论本研究成功制备了高熵合金CoCuFeNix/Al复合材料,并对其微观结构和性能进行了全面研究。
高熵合金的制备与性能研究
高熵合金的制备与性能研究随着科学技术的发展,材料科学领域也取得了巨大的突破和进展。
高熵合金是近年来涌现出的一种新型材料,它以其特殊的合金组成和结构而备受研究人员的关注。
本文将探讨高熵合金的制备方法以及其优异的性能。
一、高熵合金的制备方法高熵合金是由五个或更多的原子组成的混合物,因此其制备方法需要克服多元合金的困难。
目前主要有两种制备方法:机械合金化和熔体冶炼。
1. 机械合金化方法机械合金化是通过机械能将多种原子混合在一起,形成高熵合金。
常见的机械合金化方法包括高能球磨和电子束熔溶。
高能球磨将原子粉末放入球磨罐内,在高速旋转的球磨罐中进行混合。
通过球磨的过程,原子间如果无重排,可以形成精细的合金颗粒。
电子束熔溶是将多种原子粉末放入熔炉内,通过电子束的加热使其熔化。
在熔化的过程中,原子间发生混合,形成高熵合金。
2. 熔体冶炼方法熔体冶炼方法是将多种原子放入熔炉内,在高温下进行熔化和混合的过程。
常见的熔体冶炼方法包括真空感应熔炼和气氛保护熔炼。
真空感应熔炼是将原子粉末放入真空熔炉中,在高温下通过感应加热使其熔化。
在真空的环境下,原子间混合形成高熵合金。
气氛保护熔炼是将原子粉末放入特定气氛下的熔炉中,通过加热使其熔化。
特定的气氛可以提供保护作用,避免合金中的原子与氧气等发生反应。
二、高熵合金的性能研究高熵合金以其特殊的组成和结构,具有优异的性能,包括高熔点、高硬度、良好的耐腐蚀性和低温脆性等。
1. 高熔点由于高熵合金中原子种类的多样性,使得其熔点相较于传统合金更高。
这种高熔点的特性使得高熵合金能够在高温环境下稳定工作,出色地应用于高温材料领域。
2. 高硬度高熵合金中包含了多种原子形成的固溶体,其具有优异的硬度。
这一特性使得高熵合金在制造硬质合金、高强度结构材料以及刀具等方面具有广泛的应用前景。
3. 良好的耐腐蚀性高熵合金由于其均匀混合的组织结构,使得其具有出色的耐腐蚀性能。
这使得高熵合金在化学工业和海洋工程等领域具有巨大的应用潜力。
高熵合金的制备与性能研究
高熵合金的制备与性能研究第一章:引言高熵合金是一类由至少5种不同原子构成的合金,具有高熵度、高可塑性、高强度、高抗腐蚀性和高温稳定性的特点。
与传统合金相比,高熵合金具有更高的均质性、更好的耐腐蚀性和更优异的力学性能,因此被广泛应用于航空、航天和能源等领域。
本文将介绍高熵合金的制备与性能研究进展。
第二章:高熵合金的制备方法2.1 机械合金化法机械合金化法是一种利用高能球磨设备对粉末原料进行球磨混合,并在球磨过程中产生的高度畸变化和变形来制备高熵合金的方法。
由于球磨过程中金属原子发生了剧烈扰动和局部熔化,有利于形成多晶、非晶和纳米晶结构的高熵合金。
2.2 静态烧结法静态烧结法是一种将预合成的高熵合金粉末在高温高压下烧结成块状样品的方法。
采用这种方法制备的高熵合金具有均质性好、力学性能优异和耐腐蚀性能高的特点。
但是,静态烧结法的缺点是烧结产物中可能存在未反应的原料、显微裂纹和孔洞等缺陷,这些缺陷会降低高熵合金的力学性能和耐腐蚀性能。
2.3 熔体混合法熔体混合法是一种将不同成分的金属按一定的比例直接熔融混合制备高熵合金的方法。
采用熔体混合法可以制备出具有很高熵度和优异力学性能的高熵合金,但是由于熔体混合法难以获得均匀的合金成分和结构,制备出的高熵合金中往往会存在局部偏析和相分离现象。
第三章:高熵合金的性能研究3.1 力学性能研究高熵合金具有优异的力学性能,这主要是由于其均匀的元素分布和多主元互相制约的效应所致。
研究表明,高熵合金的力学性能可以通过调节组元比例、添加强化剂和控制微观结构等方法进行优化。
例如,在FeCoCrNi系高熵合金中添加布里渊增强剂,可以显著提高合金的硬度和抗拉强度。
3.2 耐腐蚀性能研究高熵合金具有卓越的耐腐蚀性能,这主要得益于其均匀的元素分布和表面的氧化层。
研究表明,高熵合金的耐腐蚀性能可以通过掺杂稀土元素、表面氧化处理和控制微观结构等方法进行改善。
例如,在NiCoCrFeMn高熵合金中掺杂少量稀土元素,可以提高合金的耐海水腐蚀性。
高熵合金制备方法及常见高熵合金粉末介绍
高熵合金制备方法及常见高熵合金粉末介绍如下:
高熵合金粉末的制备方法有物理法和化学法两种。
其中物理法包括球磨法、电子束物理汽化法、溅射法;化学法包括电弧熔炼法、化学共沉淀法等。
常见的粉末状高熵合金有Al0.5CoCrCuFeNi、FeNiCrAlTiC、FeNiCoCrAl、FeNiCoCrAlC等。
高熵合金粉末的制备方法中球磨法的原理是通过球磨过程中的冲击力、剪切力和摩擦力,将金属粉末与磨料充分混合并细化,最终得到均匀的高熵合金粉末;电子束物理汽化法的原理是采用电子束轰击金属靶材,使其物理汽化并凝结成粉末状;溅射法的原理是在真空中或惰性气体氛围下,通过在金属靶材表面轰击高能粒子,使其碎裂成粉末并沉积在基材上。
高熵合金的制备与物理性质研究
高熵合金的制备与物理性质研究近年来,随着先进制造技术的快速发展,高熵合金作为新型材料备受研究者的关注。
高熵合金拥有许多令人瞩目的性质,如高熔点、优异的耐腐蚀性、高强度和良好的塑性等,因此具有广泛的应用前景。
在这篇文章中,我们将重点探讨高熵合金的制备方法以及其物理性质的研究。
高熵合金的制备可以采用多种方法,其中最常见的是机械合金化和熔融法。
机械合金化是通过将不同金属粉末混合并进行高能球磨制备高熵合金。
熔融法则是将各种金属元素熔化混合,然后快速冷却以制备高熵合金。
这两种方法各有优劣,研究者们可以根据不同应用的需求选择适合的制备方法。
不同于传统合金,高熵合金具有固溶体形式的晶格结构,这使得它具备了优异的性质。
例如,在高熵合金中,元素原子的随机分布增加了晶格中的位错数量,从而提高了合金的抗变形能力。
此外,高熵合金的高熵效应也是其独特性质之一。
高熵效应是指在高熵合金中,由于多个成分之间的相互作用,晶格稳定化和化学弥散反应减弱,从而提高了合金的热稳定性和力学性能。
高熵合金的物理性质研究也取得了显著进展。
例如,一些研究者对高熵合金的磁性性能进行了深入研究。
他们发现在某些高熵合金中,由于不同元素的相互作用,合金呈现出非常稳定的铁磁性。
这种非常稳定的磁性使得高熵合金在磁记录媒体、传感器和磁性存储器等领域具有潜在的应用价值。
此外,高熵合金的电学性质也备受关注。
研究者们发现高熵合金在不同成分比例下可以呈现出多种电学特性,如金属、半导体和绝缘体。
这种多样的电学性质使得高熵合金在电子器件和光电器件等领域具有广泛的应用前景。
除了磁性和电学性质研究外,高熵合金的热学性质也受到密切关注。
由于高熵合金的高熵效应,其热稳定性非常好,能够在高温、高压和极端环境下保持稳定的结构和性能。
这使得高熵合金在航空航天和核能等领域具有重要的应用价值。
总的来说,高熵合金的制备与物理性质的研究具有广阔的前景。
随着对高熵合金深入理解的增加,我们可以预见到更多新型高熵合金的问世。
AlxCoCrCuFeNi系高熵合金及其复合材料的制备、微结构与性能研究的开题报告
AlxCoCrCuFeNi系高熵合金及其复合材料的制备、微结构与性能研究的开题报告一、研究背景高熵合金是一类具有五种或更多等摩尔成分的合金,具有均匀的微观组织结构和优异的性能,例如韧性、硬度、强材料的性能等。
此类合金在航空航天、能源、化工等领域有广泛的应用前景。
AlxCoCrCuFeNi 系列高熵合金是其中一种具有极高潜力的合金,其原因主要是由于其多元组分使得各种相之间互相作用,从而在形成微观组织结构的过程中产生特殊的微观结构与性能的典范。
作为 AlxCoCrCuFeNi 高熵合金的一种,其制备方法已经有所发展。
然而,尚需进一步评估复合材料的性能和微观结构。
因此,需要对AlxCoCrCuFeNi 系列高熵合金及其复合材料的制备、微观结构和性能进行详细的研究。
二、研究目标本研究旨在制备 AlxCoCrCuFeNi 系列高熵合金及其复合材料,并通过分析微观结构和性能来研究这些合金的力学性能等特性。
具体研究目标如下:1.开发制备 AlxCoCrCuFeNi 高熵合金的方法,并研究其组成对基本力学性能和导电性质的影响。
2.基于制备方法和组成研究 AlxCoCrCuFeNi 复合材料的制备。
3.分析 AlxCoCrCuFeNi 合金及复合材料的微观结构和组织,探究其相互作用、促进策略和性质优化。
4.比较 AlxCoCrCuFeNi 合金及复合材料的力学性能,包括硬度、拉伸强度等。
三、研究方法与流程本研究的具体实验方法和流程如下:1.制备 AlxCoCrCuFeNi 高熵合金:采用真空电弧熔炼法,通过调整成分比例,制备出不同组成的 AlxCoCrCuFeNi 高熵合金,并对其进行物理性质和微观结构分析。
2.制备 AlxCoCrCuFeNi 高熵合金复合材料:将 AlxCoCrCuFeNi 高熵合金复合材料制备于其基材上,探讨其界面结构与性能,并将其与单一材料(高熵合金和基材)进行比较。
3.研究微观结构和力学性能:通过扫描电镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、拉伸强度测试等手段来分析 AlxCoCrCuFeNi 合金及复合材料的微观结构和力学性能。
NiFeAlCrCuMox系高熵合金组织性能的研究
NiFeAlCrCuMox系高熵合金组织性能的研究摘要利用OM、XRD、洛氏硬度仪和电化学极化曲线等测试方式研究了Mo元素对焊态NiFeAlCrCuMox系高熵合金组织性能的影响。
结果表明,焊态NiFeAlCrCuMox系高熵合金主要的析出相为AlFe,其中当Mo的摩尔分数为0.8mol时,晶粒尺寸最小。
Mo含量在0.6mol时,其洛氏硬度达到最大值。
0.2molMo合金由于各元素分布均匀,合金表面出现一层均匀的钝化膜,提高了合金的耐蚀性能。
关键词 Mo元素,高熵合金,硬度,耐蚀性能中图分类号TG132Study on Microstructure and Properties of NiFeAlCrCuMox High Entropy AlloyGang Chen11XXXXXXXXAbstract The effect of Mo on the microstructure and properties of as-welded NiFeAlCrCuMox high entropy alloy was studied by OM, XRD, Rockwell hardness tester and electrochemical polarization curve. The results show that the main precipitate of the as-welded NiFeAlCrCuMox high entropy alloy is AlFe, and the grain size is the smallest when the mole fraction of Mo is 0.8mol. When Mo content is 0.6 mol, its Rockwell hardness reaches the maximum value. 0.2 mol Mo alloy has strong corrosion resistance due to the uniform distribution ofelements and the formation of a uniform passivation film on the alloy surface.Keywords Mo element, high entropy alloy, hardness, corrosion resistance高熵合金的设计理念是通过添加不低于五种元素,以接近或相同的摩尔分数进行合金化,其中没有元素的含量不超过50%,其混合熵值高于合金的熔化熵值。
高熵合金制备及其性能研究进展
高熵合金制备及其性能研究进展卜颖宏【摘要】基于高熵合金优异的性能,近年来,越来越多的学者对高熵合金开展了研究,由于各个领域对高熵合金的分类不统一,这也使人们对高熵合金的制备方法及性能研究并不深入.鉴于此,本文对高熵合金的主要合金成分组成、不同状态的材料制备方法进行了分析,并对高熵合金的相关性能进行了研究,以期能为高熵合金的应用提供一定的指导.【期刊名称】《信息记录材料》【年(卷),期】2019(020)005【总页数】2页(P2-3)【关键词】高熵合金;制备;性能【作者】卜颖宏【作者单位】太原理工大学山西太原 030024【正文语种】中文【中图分类】TF81 引言相比于其他传统的合金,高熵合金不仅强度和硬度较高,而且还兼备良好的耐磨性、抗腐蚀性以及抗氧化性,这是其他传统合金所无法比拟的,这也使高熵合金有着巨大的发展潜力,对高熵合金进行学术研究,必将推动高熵合金在各个领域中的应用。
在高熵合金中通常包含至少五组以上的元素组,这些元素以近等原子比或原子比的方式进行排列,从而使其合金化,并形成固溶体。
高熵合金具有高熵效应、畸变效应、迟滞扩散效应以及鸡尾酒效应,这使其有着较高的热稳定性,在结构上呈现出纳米结构乃至非晶结构。
2 高熵合金制备方法2.1 合金成分高熵合金的主要元素组成复杂,如Mg、Al、Cr、Cu、Co 等都是高熵合金中的组成元素,此外还包括Si、B 等,这些元素的特点不同,根据相应的配比所制备的高熵合金有难熔金属高熵合金、轻质高熵合金等。
高熵合金的性能是由其内部组织结构所决定的,而对于内部组织结构来说,则是由各元素热力学熵值、电负性、焓值等决定的,因此,对于高熵合金来说,其合金元素的选择应采用具有较高混合熵值、原子半径一致并且电负性相近,这样有助于合金向固溶体进行转化。
高熵合金的固溶体形成通常需要遵循Hume-Rothery 原则,也就是说,高混合熵的内部组元至少要超过5 个,其内部混合焓的含量应控制在-40 至10kJ/mol 范围以内,原子与原子之间的半径差不得超过12%,这些元素原子所具有的不同特点,可使迟滞扩散效应、高熵效应、鸡尾酒效应以及晶格畸变效应得到充分的发挥,进而转化为固溶体相,该固溶体相的内部结构为较为简单的晶体结构。
材料科学中的高熵合金:探索高熵合金的制备方法、微观结构与优异性能
材料科学中的高熵合金:探索高熵合金的制备方法、微观结构与优异性能摘要高熵合金(HEAs)作为一种新型的多主元合金材料,因其独特的微观结构和优异的综合性能而备受关注。
本文综述了高熵合金的制备方法、微观结构特征及其对力学、物理和化学性能的影响。
重点讨论了高熵合金在高温、腐蚀和磨损等极端环境下的应用潜力,并展望了其未来的发展方向。
关键词:高熵合金,制备方法,微观结构,力学性能,应用1. 引言传统合金通常以一种或两种主要元素为主,其他元素作为合金化元素添加。
然而,高熵合金打破了这一传统观念,它由五种或五种以上主要元素组成,每种元素的原子占比在5%到35%之间。
这种独特的成分设计赋予了高熵合金高构型熵、晶格畸变和缓慢扩散效应等特点,使其在许多方面表现出优于传统合金的性能。
2. 高熵合金的制备方法高熵合金的制备方法多种多样,主要包括以下几种:•真空熔炼法:这是最常用的制备方法,通过在真空环境下熔炼多种金属元素,然后进行凝固和后续热处理,可以获得成分均匀的高熵合金。
•粉末冶金法:将多种金属粉末混合均匀后,通过压制和烧结等工艺制备高熵合金。
这种方法适用于制备成分复杂或熔点差异较大的高熵合金。
•机械合金化法:通过高能球磨将多种金属粉末混合均匀,并诱发固态反应,形成高熵合金相。
•增材制造法:利用激光或电子束等能量源,逐层熔化金属粉末或丝材,构建三维高熵合金零件。
这种方法具有设计灵活、制备周期短等优点。
3. 高熵合金的微观结构高熵合金的微观结构与其成分、制备工艺和热处理制度密切相关。
主要包括以下几种:•单相固溶体:这是最常见的微观结构,所有元素均匀分布在晶格中,形成面心立方(FCC)、体心立方(BCC)或密排六方(HCP)等结构。
•多相结构:高熵合金中可以形成多种金属间化合物、固溶体或非晶相等,这些相的分布和形态对合金的性能有重要影响。
•纳米晶/非晶结构:通过快速凝固、机械合金化或增材制造等方法,可以获得具有纳米晶或非晶结构的高熵合金,这些结构通常具有更高的强度和硬度。
高熵铁钴镍铬铝粉末
高熵铁钴镍铬铝粉末
高熵合金是指由五种或五种以上元素(至少含有两种是金属元素)构成的合金。
它具
有高度均匀的化学成分和晶体结构,因此在表面、纳米粒子、分散体中也呈现均匀的性质。
高熵合金所具有的高强度、高韧性、高耐磨性、高抗腐蚀性等特性,使其成为了目前最为
研究和应用的新材料之一。
高熵铁钴镍铬铝粉末主要由高纯度金属铁、钴、镍、铬、铝的粉末通过机械混合、球
磨等几何方式混合而成。
在该过程中,由于五种元素的原子大小、电子亲和力和半径等物
理/化学性质的相似性,使得混合粉末中这五种元素相互匀速分布,生成多元晶态固溶体。
该晶体结构中的原子大小和均匀性能,使其成为一种新的高熵材料,表现出了其他单质材
料没有的物理和化学性质。
高熵铁钴镍铬铝粉末在钢铁冶金、石油化工、航空航天、核工程等领域有着广泛的应用。
在钢铁冶金中,高熵铁钴镍铬铝粉末可以增加钢铁的耐磨性、耐腐蚀性、高温强度等
性能,并提高钢铁的力学性能;在石油化工中,高熵铁钴镍铬铝粉末作为防腐材料,可以
提高石油钻头的耐磨性和耐蚀性;在航空航天中,高熵铁钴镍铬铝粉末可以作为高温结构
材料,用于制造火箭、导弹、卫星、喷气发动机等部件;在核工程中,高熵铁钴镍铬铝粉
末还可以作为辐射屏蔽材料,用于核反应堆铅球和核电站大头。
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Rare Metal Materials and Engineering Volume 41, Suppl. 2, September 2012Cite this article as: Rare Metal Materials and Engineering, 2012, 41(S2): 532-535Received date: September 20, 2011Corresponding author: Guan Hongyan, Candidate for Master, School of Material Science and Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, E-mail: guanhy19860815@Microstructure and Properties of Sintered AlNiCrFeCuMo x AlloysGuan Hongyan, Zhang Yunpeng, Fan Yuhu, Li XiaonaXi ′an University of Technology, Xi ′an 710048, ChinaAbstract: The effects of Mo on the microstructure and mechanical properties of sintered AlNiCrFeCuMo x (x =0 to 0.2) were investigated. As Mo content increases, the microstructure is always petals form dendrite type, and due to the high entropy effect, the alloys own simple constituent phases, the hard bcc phase and soft fcc phase, but they are different in the diffraction peak intensity. The increase of Mo could boost the formation of FCC phase. Meanwhile, the alloy of x =0.1 possesses higher hardness level of 5670 MPa and superior compressive property of compressive strength 1161 MPa and ductility 24.2% at room temperature. The characters of the elements and the crystal structures will be responsible for the change of the mechanical property accompanied with the variation of Mo content.Key words: high entropy; separate; microstructure; mechanical properptyTraditionally, one principle element was considered to pre-pare most alloys. But recently, Yeh has defined a new type of alloys design concept, named high entropy alloy (HEA for short), which utilizes five or more kinds of elements, and each one of the main elements with high atom percentages, but not more than 35%[1,3,7]. It is just its high entropy of mixing that makes it more likely to stabilize the alloy system, which makes it inclined to form the simple solution structure or even non-crystal structure by means of suppressing the form of in-termetallic compounds. Meanwhile HEAs might exhibit supe-rior properties such as high hardness, good thermal stability and superior compressive property explaining their potential applications in many fields [1,2,4,5]. Most of the HEAs are syn-thesized with melting. In this research, we would try to pre-pare AlNiCrFeCuMo x alloy by powder metallurgy to study the effect of the variation of Mo content on the microstruc-tures and mechanical properties.1 ExperimentAlNiCrFeCuMo x alloys were sintered with raw element material Al, Ni, Cr, Fe, Mo and Cu powders of 99.4% high purity and size of 300 mush. Mo 0, Mo 0.1, Mo 0.2 alloys were prepared respectively and Mo–x alloy hereafter represented the alloy with chromium content x in molar ratio. Through the high performance mixture powder machine, the alloys were pressed to be casting, and then sintered in the vacuum furnace. Their microstructure was observed with JSM-6700F scanningelectron microscope, their distribution of elements was ana-lyzed with EDS, and XRD-7000 diffraction instrument, and the hardness and compress property were tested.2 Results and Discussion2.1 MicrostructureFig.1 shows the SEM backscattered electron images of the sintered AlNiCrFeCuMo x alloys. The microstructure is typi-cally petals form dendrite. Table 1 shows the EDS analyses of different regions. As to Mo 0 alloy, it is rich in Fe, Cr elements, accompanied with many black spots gathered with Al, Ni across on the matrix of the dendrite. Meanwhile the indendrite are mainly full of Al, Ni, and the white sprits in the grain boundary is Cu separation regions. As to Mo 0.1 and Mo 0.2 al-loys, Mo are mainly distributed along with Fe and Cr elements, while others are similar to the Mo 0 alloy.Due to the big atom radius of Al, its precipitation on the basement can be beneficial to decrease the lattice distortion en-ergy, and stabilize the alloy system [2,8,15]. Moreover, the enthalpy of mixing of Al and Ni is –22 kJ/mol, possessing superior affin-ity, which makes Ni gathered with Al constantly [8,9]. Meanwhile it is just its poor intersolubility of Cu that makes it segregated at the interdendrite region frequently and forms a Cu-rich phase. In addition, the intersolubility of Cu and Ni is infinite [3,4,6,15], so there may be more Al, Ni and Cu in the indendrite. It is visible that the mixing enthalpy and solid solubility have played an important role in the distribution of the elements.Fig.2 shows the XRD patterns of the alloys. Only two crys-tal structures: bcc (a =0.289 nm) and fcc (a =0.364 nm) are identified. This reveals that it is just the high entropy effect ofFig.1 SEM backscattered electrons images of AlNiCrFeCuMo xAlloys: (a, b) x =0, (c, d) x =0.1, and (e, f) x =0.2Table 1 Different regions ′ EDS analyses of AlNiCrFeCuMo x al-loys (ω/%)Al Ni Cr Fe Cu MoNominal 20 20 20 20 20 0DR 5.29 3.40 47.58 43.43 0.300 Mo 0 IR 39.57 35.22 1.82 7.47 15.920 Nominal 19.60 19.60 19.60 19.60 19.602.00DR 5.773.37 34.90 40.74 2.75 2.48Mo 0.1 IR22.56 39.41 4.88 10.71 12.760.44Nominal 19.20 19.20 19.20 19.20 19.2019.20DR 6.12 7.34 41.52 40.16 1.75 3.08Mo 0.2 IR 33.61 30.12 6.75 7.81 17.584.05the AlNiCrFeCuMo x that suppresses the form of intermetalliccompound, making the alloy phase composition tend to be simplified, only bcc and fcc, which is fewer than that of Gibbs ′ calculation. According to the phase formation of high entropy theory proposed by Wang Yanping [4], the free energy of generating complete solid solution alloy and the com-pound-solid solution alloy can be calculated, which is shown in Table 2. From the Table, the free energy of generating com-plete solid solution alloy is always larger than that of the com-pound-solid solution alloy, so the AlNiCrFeCuMo x alloys in-cline to form the compound-solid solution alloys. 2.2 XRD resultWith the increase of Mo content, the highest peak of bcc decreases constantly, accompanied with fcc ′s increasing, and no new phase appears. It is visible that Mo could promote the formation of fcc phase. Through calculating, bcc lattice con-stant is 0.289 nm of AlNiCrFeCuMo x alloys, which is similar to the lattice constant of AlNi compound and Fe-Cr [7]; mean-while the alloys ′ lattice constant of fcc is 0.363 nm, which is close to Cu. As to the Mo 0.1 and Mo 0.2 alloy, the Mo may mainly solute in the Fe-Cr solid solution to form a multi-element Fe-Cr-Mo solution. Combined with the alloys ′ EDS, it can be concluded that AlNiCrFeCuMo x alloys mainly contain AlNi phase solute with other elements, Fe-Cr-Mo or Fe-Cr solid solution and the Cu phase; accordingly, the bcc is mainly AlNi compound and Fe-Cr-Mo or Fe-Cr solid solution, and the Cu phase corresponds to the fcc structure .Fig.2 XRD patterns of the alloys with different Mo contentTable 2 △H mix , △S mix , △G mix results of the AlNiCrFeCuMo x alloys at room temperature Alloys △H mix /kJ·mol -1△S mix /J·(K·mol) -1△G mix /kJ·mol -1T =293 KAlNiCrFeCu solid solution –3.84 13.38 –7.83 Mo 0AlNi compound + CrFeCu solid solution–10.56 8.03 –12.95 AlNiCrFeCuMo 0.1 solid solution –3.77 13.97 –7.93 Mo 0.1AlNi compound +CrFeCuMo 0.1 solid solution–10.17 8.65 –12.70 AlNiCrFeCuMo 0.2 solid solution –3.55 14.13 –7.69 Mo 0.2AlNi compound +CrFeCuMo 0.2 solid solution–9.808.90–12.4130 40 50 60 70 80 90 1002θ/(°) I n t e n s i t y /a .u .bccfcc Mo 0.2Mo 0.1Mo 02.3 Mechanical properties 2.3.1 HardnessTable 3 shows the room temperature Vickers hardness. It is clearly seen that the hardness of the alloys increases first and then decreases along with the variation of Mo content. As to the alloys, the hardness concerns closely with the character of their own elements and crystal structures [7,15]. For Mo 0 and Mo 0.1 alloys, the addition of Mo could enhance the influence of solid solution, promoting the alloy’s hardness. However, for Mo 0.1 and Mo 0.2 alloys, the highest peak of bcc, decreases sig-nificantly, reducing the content of bcc immensely which is the dominating factor contributed to the hardness, leading to the hardness’s decreasing of Mo 0.2 alloy [3,10]. 2.3.2 Compressive propertiesFig.3 shows the room-temperature compressive property of the alloys. As is shown in Table 4, it is clearly seen that com-pressive properties of Mo 0.1 alloy are improved due to the ad-dition of Mo, but that of the Mo 0.2 is weakened. The alloy’s elements has an immense effect on the lattice distortion en-hancement, rejecting the motion of the atoms, leading to the stronger Solid Solution Effect [8,9,13]. The maximum yield strength is 920 MPa, and the fracture strength is 1161 MPa, with ductility of 24.2% when Mo content is 0.1.Table 3 Vickers hardness of the alloysAlloys Vickers Hardness, HV/MPa Mo 0 5150 Mo 0.1 5670 Mo 0.2 4600Fig.3 Compressive stress- strain curves of the alloysTable 4 Room temperature compression properties Alloysσy /MPaσmax /MPaε/%Mo 0 903 1012 22.2 Mo 0.1 920 1161 24.2 Mo 0.2 910 1017 17.93 Conclusions1) The microstructure of AlNiCrFeCuMo x alloys are petalsform dendrite type, and Fe, Cr, and Mo gathered in the den-drite, with many black spots AlNi compounds across on it; however there would be more Al, Ni elements in the inden-drite, and Cu is separated in the grain boundary.2) Due to the high entropy, the alloys only have bcc phase and fcc phase, and the highest peak of bcc is decreasing with the change of Mo content; accordingly, more fcc formed. Connected with the EDS analyses, it can be inferred that the alloys mainly contain AlNi phase solute with other elements, Fe-Cr-Mo or Fe-Cr solid solution and the Cu phase. The bcc phase may be the AlNi compounds and Fe-Cr-Mo solution, and the fcc phase could be the Cu solution.3) The mechanical properties will increase first and then decrease accompanied with the variation of Mo content due to the effect of the elements and the crystal structure. The Mo 0.1 alloy possesses superior comprehensive properties.References1 Zhang Yong 张勇( ). Amorphous Alloys and High Entropy Al-loys (非晶合金及高熵合金)[M]. Beijing: Science Press, 2010: 672 Zhu J M, Fu H M, Zhang H F et al . Materials Science and Engi-neering [J], 2010, 527(2010): 69753 Hsua Chin-You, Juana Chien-Chang, Wangb Woei-Ren et al . Adv Eng Mater [J], 2009, 171: 444 Wang Yanping(王艳萍). Thesis for Doctorate (博士论文)[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 20095 Zheng Bingwu 郑郑郑(). Thesis for Doctorate (博士论文)[D]. 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