A10.5CoCrCu FeNi高熵合金熱處理后對(duì)其顯微組織與硬度影響研究

焦延博

摘要：在A10.5CoCrCuFeNi的高熵合金具體制備態(tài)中，主要包含兩種FCC相，其中顯微組織是典型樹(shù)枝晶的形貌，在枝晶間分布著很多納米粒子。當(dāng)退火溫度在500攝氏度-1000攝氏度時(shí)，高熵合金會(huì)析出少量的BCC相，伴隨退火溫度上升，會(huì)使得BCC相減少。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)的形式對(duì)此作了研究。

關(guān)鍵詞：高熵合金；熱處理；顯微組織；硬度

多組元的高熵合金屬于全新合金成分的設(shè)計(jì)概念，在合金成分之中包含不同等摩爾的主元，各種元素濃度為5%-35%。其打破傳統(tǒng)成分設(shè)計(jì)的理念，把一種或是兩種元素當(dāng)做主要的成分，然后加入其它的微量元素，對(duì)性能與結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。近年來(lái)，關(guān)于高熵合金的研究與開(kāi)發(fā)越發(fā)活躍，并且吸引了很多關(guān)注，就傳統(tǒng)冶金原理的觀點(diǎn)進(jìn)行分析，在多種合金的元素凝固時(shí)，容易形成各種金屬間的化合物與復(fù)雜有序相。而就高熵合金來(lái)看，因?yàn)楫愵?lèi)原子的種類(lèi)比較多，使得高熵合金存在嚴(yán)重晶格的畸變與擴(kuò)散遲緩等效應(yīng)，使高熵合金可以同時(shí)具備多種突出的性能，例如：耐磨、高強(qiáng)度、高硬度與韌性等，這在很大程度上拓展了高熵合金應(yīng)用范圍。

1試驗(yàn)材料與方法

通過(guò)高純的Cu、A1、M、Co、Fe與Cr作原材料，其純度都超過(guò)99.5%，根據(jù)M0.5CoCrCuFeNi/原子比行程合金成分的配料，同時(shí)于氬氣保護(hù)條件下實(shí)施將合金熔體凝固與冷卻在相應(yīng)熔煉坩堝之中，獲得包子狀的合金錠，需要對(duì)每一個(gè)合金錠進(jìn)行一次倒置重熔，確保成分均勻性。在完成熔煉以后，通過(guò)線切割，把試樣制為10毫米x10毫米x3毫米尺寸，方便后續(xù)研究。在分析合金相結(jié)構(gòu)時(shí)，通過(guò)xPert Pro MPDP型的x射線衍射儀器/XRD分析；分析顯微結(jié)構(gòu)時(shí)，通過(guò)XJZ-6A型光學(xué)的顯微鏡以及SUPRA55型的掃描電子顯微鏡/SEM進(jìn)行分析；在分析成分時(shí)，通過(guò)掃描電子的顯微鏡上所附帶Oxford-X-Max 50能譜的分析儀/EDS進(jìn)行分析；在測(cè)試合金硬度時(shí)，通過(guò)DHV-1000型的顯微硬度計(jì)進(jìn)行測(cè)試，每一個(gè)試樣都選擇八個(gè)點(diǎn)，加載的荷載是4.9牛、加載的時(shí)間是15秒。

2結(jié)果分析

2.1制備態(tài)的合金顯微組織

從制備態(tài)下高熵合金顯微組織的照片中能夠了解到，在高熵合金制備態(tài)中，顯微組織主要是典型樹(shù)枝晶的組織，通過(guò)枝晶間與枝晶構(gòu)成。其中，在枝晶間分布著很多納米的粒子，因?yàn)楦哽睾辖疬t滯擴(kuò)散的效應(yīng)，使得制備態(tài)下可以析出納米晶與非晶。

不同區(qū)域中EDS的能譜分析具體結(jié)果如下：在納米粒子區(qū)域Cr為6.5、A1為9.4、Cu為57.4、Ni為12.6、C0為7.3、Fe為6.8；在枝晶間Cr為6.1、A1為12.5、Cu為55.4、Ni為13.3、C0為6.5、Fe為6.3；在枝晶Cr為22.5、A1為6.8、Cu為9.1、Ni為17.4、Co為22.0、Fe為22.2。經(jīng)上述分析能夠得出Ni的元素分布相對(duì)平均，而Cu元素集中在枝晶間，F(xiàn)e、Co與Cr元素集中在枝晶。

相關(guān)研究中指出，Cu元素和Fe、Co與Cr元素有較大混合焓，其結(jié)合力不強(qiáng)，凝固初期會(huì)被排斥至枝晶間的區(qū)域。因?yàn)楦哽氐男?yīng)，系統(tǒng)混合熵比金屬間的化合物混合熵大，各個(gè)元素固溶不夠均勻。所以在晶胞中構(gòu)成組織的偏析，會(huì)導(dǎo)致金屬間的化合物形成進(jìn)行抑制，使得簡(jiǎn)單的晶體結(jié)構(gòu)形成，通常cu元素會(huì)有一定量固溶于樹(shù)枝晶中，F(xiàn)e、Co與Cr元素同樣會(huì)部分融入到富銅枝晶間中。在枝晶間所析出納米粒子和枝晶間相成分比較接近，證明兩者的結(jié)構(gòu)一樣。與XRD的分析結(jié)合可以看出，高熵合金樹(shù)枝晶中ECC1相與e3Ni2的結(jié)構(gòu)比較類(lèi)似，枝晶間ECC2相與FeCu4的結(jié)構(gòu)比較類(lèi)似。

2.2退火溫度對(duì)于A10.5CoCrCuFeNi的高熵合金硬度與顯微組織影響

2.2.1退火溫度在A10.5CoCrCuFeNi的高熵合金中硬度方面產(chǎn)生的影響

從A10.5CoCrCuFeNi的高熵合金退火態(tài)試樣與制備態(tài)硬度圖中能夠看出，在退火以后合金硬度均都比制備態(tài)硬度大，伴隨退火溫度逐漸升高，當(dāng)溫度處于700攝氏度以內(nèi)時(shí)，合金硬度呈上升趨勢(shì)，700攝氏度達(dá)到最大值，即為314HV0.5，溫度為800攝氏度時(shí)開(kāi)始降低，到了100攝氏度又開(kāi)始增大。合金硬度變化是因?yàn)楦鞣N溫度退火以后，合金析出BCC相的含量存在差異，致使析出強(qiáng)化的效果存在不同，在100攝氏度時(shí)，合金中的BCC含量雖然微小與枝晶相對(duì)粗化，然而枝晶間所析出針狀物有析出強(qiáng)化的效果，所以與900攝氏度退火合金相比，不僅不會(huì)降低硬度，而且會(huì)提高硬度。

2.2.2退火溫度對(duì)于A10.5CoCrCuFeNi的高熵合金中顯微組織影響

從不同溫度條件下退火以后的A10.5CoCrCuFeNi的高熵合金XRD圖譜中不難看出，在退火以后，在700攝氏度溫度條件下，合金逐漸析出少量的BCC相，并且伴隨退火溫度上升，BCC相峰強(qiáng)呈現(xiàn)出漸漸降低的趨勢(shì)，F(xiàn)CC1相峰強(qiáng)則會(huì)伴隨退火溫度升高而上升，當(dāng)溫度在600攝氏度以內(nèi)時(shí)，會(huì)漸漸的增強(qiáng)，當(dāng)溫度到達(dá)700攝氏度時(shí)會(huì)降低，溫度到達(dá)900攝氏度會(huì)增加到最強(qiáng)，在1000攝氏度時(shí)則會(huì)降到最低。在700攝氏度以內(nèi)，F(xiàn)CC2相峰強(qiáng)也呈現(xiàn)出逐漸加強(qiáng)的趨勢(shì)，在800攝氏度出現(xiàn)下降，到了900攝氏度會(huì)升到最大，在1000攝氏度時(shí)，會(huì)假象。通常情況下，峰強(qiáng)變化既和相含量有聯(lián)系，又和熱處理以后因?yàn)樵財(cái)U(kuò)散所致晶格畸變的程度大小相關(guān)，如果畸變的程度比較大，那么對(duì)于XRD的衍射線散射越強(qiáng)，衍射峰的強(qiáng)度越低。

另外，從各種溫度條件下退火以后A10.5 CoCrCuFeNi的高熵合金金相的顯微圖中能夠了解到，當(dāng)退火溫度處于500攝氏度-1000攝氏度時(shí)，合金組織的形貌比較相似，都是典型樹(shù)枝晶的組織。當(dāng)退火溫度上升時(shí)，在1000攝氏度以下，合金枝晶尺寸沒(méi)有顯著的變化，如果溫度為1000攝氏度，枝晶會(huì)發(fā)生明顯的粗化。當(dāng)退火溫度為700攝氏度時(shí)，合金枝晶間的組織會(huì)析出棉絮狀的物質(zhì)，按照XRD的數(shù)據(jù)分析可知，這種物質(zhì)是BCC相，在退火溫度為800攝氏度與900攝氏度時(shí)BCC相會(huì)減少，當(dāng)退火溫度為1000攝氏度時(shí)，幾乎見(jiàn)不到BCC，合金的枝晶間所析出針狀物質(zhì)寬度在1微米左右。因?yàn)橥嘶饻囟?000攝氏度時(shí)，合金只析出少量的BCC相，未析出其他的新相，所以推導(dǎo)得出這種針狀物質(zhì)是和枝晶間的相結(jié)構(gòu)一樣的富Cu FCC2相。

3結(jié)論

在A10.5CoCrCuFeNi的高熵合金具體制備態(tài)中，主要包含兩種FCC相，其中顯微組織是典型樹(shù)枝晶的形貌，在枝晶間分布著很多納米粒子。當(dāng)退火溫度在500攝氏度1000攝氏度時(shí)，高熵合金會(huì)析出少量的BCC相，伴隨退火溫度上升，會(huì)使得BCC相減少。此外，和其他制備的方法比起來(lái)，通過(guò)真空感應(yīng)懸浮熔煉方法所致合金的硬度比較高，并且高熵合金有著較好的熱穩(wěn)定性，即便在800攝氏度下，通過(guò)水冷、爐冷與空冷以后，相結(jié)構(gòu)和硬度都維持著一定穩(wěn)定性。