AlCrFeNi2Cux高熵合金組織及性能*

楊思華， 李承澤， 張宇峰， 曲迎東

(沈陽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 沈陽 110870)

20世紀(jì)90年代，Yeh等[1]和Cantor等[2]提出了由5種及以上主要元素按照等摩爾比或近似等摩爾比組成的高熵合金這一新合金品種[3]，由于具有簡單的晶體結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的綜合性能，因而高熵合金受到各國學(xué)者的廣泛關(guān)注[4-7].CoCrFeNi系高熵合金易形成單一面心立方組織，再輔以元素成分、種類調(diào)整可控制其組織為FCC+BCC或形成合金相，從而實(shí)現(xiàn)性能調(diào)節(jié).Liu等[8]研究發(fā)現(xiàn)，CoCrFeNiMo0.3中的σ相和μ金屬間化合物大幅度提高了合金強(qiáng)度但并未造成強(qiáng)烈的脆化現(xiàn)象.文獻(xiàn)[9]研究表明，Cu含量的增加可使CuxCr2Fe2Ni3Mn2Nb0.4Mo0.2高熵合金的微觀組織從FCC+BCC混合組織轉(zhuǎn)變?yōu)閱我坏腇CC組織，且合金的耐蝕性隨Cu含量的增加先升高后降低.郝聰敏等[10]研究表明，AlFeCrCoTiCux(x=0.5，0.75，1.0)高熵合金的晶間FCC2相和析出相隨Cu含量的增加而逐漸增多，并在1 050 ℃左右析出晶間富Cu(FCC2)相.文獻(xiàn)[11]研究了時(shí)效處理對(duì)CuxCrFeNiAl(x=0，0.2，0.5，1.0，2.0)高熵合金組織與硬度的影響，結(jié)果表明，同一時(shí)效工藝下當(dāng)Cu含量不同時(shí)，合金的顯微組織也不同.

綜上所述，Cu含量對(duì)AlCrFeNi系高熵合金影響的研究已見文獻(xiàn)報(bào)道，但目前Cu含量對(duì)AlCrFeNi系高熵合金影響的研究僅聚焦于熱處理工藝方面.AlCrFe2Ni2是一種共晶高熵合金，具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，其斷裂拉應(yīng)力為944 MPa，伸長率為25.6%.本文在AlCrFe2Ni2高熵合金的基礎(chǔ)上，采用Cu元素代替Fe元素，以降低合金的整體脆性，并以AlCrFeNi2Cux(x=1.2，1.4，1.6，1.8)為研究對(duì)象，通過改變Cu元素的含量，來研究Cu含量添加對(duì)高熵合金組織與性能的影響規(guī)律.

1 材料與方法

試驗(yàn)原料為Al、Cr、Fe、Ni、Cu，其純度均高于99.9%.按照摩爾比配置AlCrFeNi2Cux(x=1.2，1.4，1.6，1.8)四組合金.采用WK-Ⅱ型非自耗真空電弧爐制備60 g合金鑄錠.將電弧爐抽真空后充入高純氬氣至壓力為0.05 MPa，反復(fù)熔煉4～5次，直到熔化的金屬元素具有良好的流動(dòng)性，以減少凝固過程中的偏析.采用電火花線切割方法切出尺寸為10 mm×10 mm×2 mm的方形試樣，并將其用于組織觀察與硬度測試，同時(shí)制備φ4 mm×6 mm的圓柱體試樣，并將其用于壓縮試驗(yàn).

2 結(jié)果與分析

2.1 AlCrFeNi2Cux高熵合金的組織結(jié)構(gòu)

圖1為AlCrFeNi2Cux高熵合金的XRD圖譜.利用Jade軟件對(duì)XRD衍射峰進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，高熵合金主要由簡單的FCC相和BCC相組成.隨著Cu含量的增加，高熵合金中相的衍射峰強(qiáng)度發(fā)生明顯變化.當(dāng)x從1.2增加到1.4時(shí)，高熵合金在42°位置處的FCC衍射峰強(qiáng)度與45°位置處的BCC衍射峰強(qiáng)度大幅度降低，而在50°位置處的FCC衍射峰強(qiáng)度增大.當(dāng)x從1.4增加到1.6時(shí)，高熵合金中的FCC與BCC衍射峰強(qiáng)度進(jìn)一步降低.當(dāng)x從1.6增加到1.8時(shí)，高熵合金中的BCC衍射峰強(qiáng)度變化不大，而FCC衍射峰強(qiáng)度明顯增大.綜合可知，隨著Cu元素含量的增加，高熵合金基體中的FCC相數(shù)量逐漸增多，而BCC相含量則相應(yīng)減少.

圖1 AlCrFeNi2Cux高熵合金的XRD圖譜Fig.1 XRD spectra of AlCrFeNi2Cux high entropy alloys

圖2為AlCrFeNi2Cux(x=1.2，1.4，1.6，1.8)高熵合金的微觀組織.圖2a中Ⅰ和Ⅱ區(qū)域分別為白色和黑色枝晶區(qū)域.由圖2可以很清晰地看到四組合金均為由白色和黑色枝晶區(qū)域構(gòu)成的典型樹枝晶結(jié)構(gòu).當(dāng)Cu元素含量逐漸增加時(shí)，高熵合金微觀組織中的黑色枝晶區(qū)域所占比例變小，而白色枝晶區(qū)域數(shù)量逐漸增多.

圖3為AlCrFeNi2Cu1.2高熵合金的元素分布圖.由圖3可以看出，白色枝晶區(qū)域主要為Fe-Cr富集區(qū)，而黑色枝晶區(qū)域則為Al-Ni富集區(qū).結(jié)合XRD衍射結(jié)果可知，F(xiàn)CC相數(shù)量隨著Cu含量的增加而逐漸增加，因此，可以得出結(jié)論：白色Fe-Cr區(qū)為FCC結(jié)構(gòu)，而黑色Al-Ni區(qū)則為BCC結(jié)構(gòu).

圖2 AlCrFeNi2Cux高熵合金的微觀組織Fig.2 Microstructures of AlCrFeNi2Cuxhigh entropy alloys

圖3 AlCrFeNi2Cu1.2高熵合金的元素分布Fig.3 Element distribution of AlCrFeNi2Cu1.2high entropy alloy

圖4為AlCrFeNi2Cux高熵合金的微觀組織和元素分布對(duì)比圖.由圖4可以看出，當(dāng)Cu元素含量較低時(shí)，Cu富集于白色區(qū)域；隨著Cu元素含量的增加，Cu元素不斷析出，逐漸呈現(xiàn)聚集趨勢并包裹著樹枝晶.當(dāng)x為1.4、1.6時(shí)，各樹枝晶之間發(fā)生了蔓連，枝晶變得愈發(fā)發(fā)達(dá)、粗大.在混合焓的作用下Cu元素更易于與高熵合金中的Al元素結(jié)合，由于Cu元素與高熵合金中其他元素的混合焓為正值，因此，當(dāng)高熵合金中的Cu含量較低時(shí)，可以觀察到組織中的Cu元素包裹著樹枝晶.此外，當(dāng)x繼續(xù)增加至1.8時(shí)，枝晶間出現(xiàn)了Cu元素的大量偏析，這會(huì)對(duì)合金性能造成負(fù)面影響.

圖4 AlCrFeNi2Cux高熵合金的微觀組織和Cu元素分布對(duì)比

Fig.4 Comparison between microstructures and Cu element distribution of AlCrFeNi2Cuxhigh entropy alloys

2.2 AlCrFeNi2Cux高熵合金的力學(xué)性能

圖5 AlCrFeNi2Cux高熵合金的室溫壓縮性能曲線Fig.5 Compressive performance curves of AlCrFeNi2Cuxhigh entropy alloys at room temperature

圖6為AlCrFeNi2Cux高熵合金的硬度測試結(jié)果.由圖6可以看出，隨著Cu含量的增加，高熵合金硬度呈先上升后降低的趨勢.當(dāng)x為1.6時(shí)，合金硬度達(dá)到最大值372 HV.結(jié)合圖1、2可知，隨著Cu含量的增加，高熵合金中形成了更多數(shù)量的面心立方結(jié)構(gòu)相，這本應(yīng)該促使合金硬度降低，但由于Cu元素聚集于枝晶間位置，起了釬焊劑的作用，因而降低了合金的脆性[12]，故而合金的硬度呈現(xiàn)先升后降的特征.

圖6 AlCrFeNi2Cux高熵合金的硬度Fig.6 Hardness of AlCrFeNi2Cux high entropy alloys

以上研究表明，在AlCrFeNi2Cux(x=1.2，1.4，1.6，1.8)高熵合金中，當(dāng)x為1.6時(shí)，高熵合金具有較好的綜合力學(xué)性能，其抗壓強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、塑性應(yīng)變量和維氏硬度分別為2 256 MPa、891 MPa、35.6%和372 HV.

3 結(jié) 論

通過以上試驗(yàn)分析可以得到如下結(jié)論：

1) AlCrFeNi2Cux(x=1.2，1.4，1.6，1.8)高熵合金主要由簡單FCC相(Fe-Cr相)與BCC相(Al-Ni相)組成，且隨著Cu含量的增加，F(xiàn)CC相的數(shù)量也隨之增加.

2) 當(dāng)Cu含量較低時(shí)，Cu富集于枝晶間；隨著Cu含量的增加，Cu元素不斷析出，并呈現(xiàn)聚集趨勢包裹著樹枝晶，當(dāng)x增至1.8時(shí)，這種偏聚包裹現(xiàn)象更為明顯.

3) AlCrFeNi2Cux高熵合金的壓縮性能和硬度均隨Cu元素的添加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，當(dāng)x為1.6時(shí)，高熵合金綜合性能最佳，其抗壓強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、塑性應(yīng)變量和維氏硬度分別為2 256 MPa、891 MPa、35.6%和372 HV.