Ga對NiCoVCu合金的組織與性能的影響

摘要：以高強度、高韌性的NiCoV中熵合金為基體制備了（NiCoV）99-xCuGax（x=0，1，2，3）合金，對得到的合金進行冷軋和退火處理，研究Ga含量對未退火和退火溫度為900、950、1000℃時的合金的微觀組織、力學性能、耐腐蝕性能的影響。研究結果表明：適量的Ga可以促進析出相形成，產生析出強化；隨著Ga含量的增加，會出現金屬間化合物，導致合金的力學性能下降；隨著退火溫度的升高，合金的伸長率上升；過量的Ga，在退火溫度過高時，合金的伸長率下降；（NiCoV）96CuGa3合金在退火溫度為950℃時的綜合力學性能較好，抗拉強度為（992±10）MPa，伸長率為48.70%。

關鍵詞：高熵合金；析出強化；金屬間化合物；微觀組織；性能

中圖分類號：TG 166.2文獻標志碼：A

Effect of Ga on the microstructure and properties of NiCoVCu alloy

WANG Haitao，HE Meifeng

（School of Materials and Chemistry，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）

Abstract：NiCoV medium entropy alloy is an alloy with high strength and high toughness，in this paper，NiCoV is used as the matrix，the（NiCoV）99-xCuGax（x=0，1，2，3）series alloys were prepared，cold rolling and annealing of the obtained samples，the effect of different content of Ga elements on the organization，mechanical properties and corrosion resistance of this alloy at annealing temperatures of 0，900，950，1000°C was investigated.The study results show that：the addition of suitable amount of Ga elements can promote the formation of precipitation phase，produces precipitation strengthening.However，with the increasing content of Ga elements，intermetallic compounds will appear，the result is adegradation of the alloy's properties.As well，as the annealing temperature increases，the elongation of the alloy increases due to the elimination of residual stresses within the alloy.The best overall mechanical properties of（NiCoV）96CuGa3 alloy were obtained experimentally at an annealing temperature of 950℃，when the tensile strength of the alloy was（992±10）MPa and the elongation was 48.70%.

Keywords：high-entropy alloy;precipitation strengthening;intermetallic compound;microstructure;property

高熵合金是一種突破了以一種或兩種合金元素作為主要元素的新型合金。Yeh等[1]提出高熵合金之后，其獨特的組織和性能得到了廣泛的關注。根據傳統合金的設計理念，隨著合金元素的添加，極易出現硬而脆的金屬間化合物，合金元素的種類越多，金屬間化合物出現的可能性就越大，這就導致合金的綜合性能降低，而高熵合金的出現克服了這個缺點。研究表明，高熵合金中雖然包含的元素種類較多，但是并沒有形成更多的金屬間化合物，反而由于高的混合熵的存在形成了單一的晶體結構。比如：面心立方結構[2]、體心立方結構[3]、面心立方和體心立方共存的結構[4]、密排立方結構[5]、非晶結構[6]。高熵合金還有4個重要的效應：高熵效應、緩慢擴散效應、晶格畸變效應、“雞尾酒”效應[6-9]。其中作用最廣的是高熵效應。

高熵合金具有很多的優良性能，比如抗氧化性能好，熱穩定性能好，高溫強度高，良好的斷裂韌性，良好的耐腐蝕性以及優良的導電性等。這些都是探索高熵合金的重要原因。

NiCoV中熵合金[10]具有高強度和高塑性的特點，并具有良好的抗氫脆效應。可以使用NiCoV中熵合金作為基體，再對其進行進一步的研究。

Cu在合金中不僅可以提高合金的強度和伸長率，還可以增強合金的抗晶間腐蝕能力，進而提高合金的耐蝕性[11]。而Ga的加入有利于提高合金的固溶強化效應和析出強化效應[12]。

本文以NiCoV中熵合金為基體，在基體中加入Cu、Ga，研究（NiCoV）99-xCuGax（x=0、1、2、3，x為質量分數）合金的組織和性能，研究Ga的加入和退火溫度對（NiCoV）99-xCuGax合金的微觀組織和性能的影響。

1實驗過程

1.1樣品的制備

使用真空電弧熔煉爐在氬氣的保護下熔煉成（NiCoV）99-xCuGax合金，實驗所用的Ni、Co、V、Cu、Ga的純度均大于99.95%（質量分數）。熔煉過程中為保證合金熔煉均勻，在熔煉時多次翻轉，熔煉合金鑄錠不低于4次。將熔煉后的樣品進行80%變形量的冷軋，并使用電火花切割機將冷軋后的樣品切割成34mm×8 mm×4mm的標準拉伸樣品和10mm×10mm正方形樣品，然后將上述樣品在900、950、1000℃下退火1 h。將未退火和退火后的樣品進行打磨、拋光、腐蝕（腐蝕液為HCl、HNO3的混合液，體積比為3∶1）。

1.2微觀結構表征

使用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）觀察腐蝕后樣品的微觀組織以及拉伸斷口。使用X射線衍射儀（X-ray diffraction，XRD）分析晶體結構。

1.3性能測試

（NiCoV）99-xCuGax合金表面的硬度由維氏硬度計測試。使用萬能電子試驗機測試合金的抗拉強度和伸長率，拉伸速率為0.2 mm/min，為保證實驗的準確性，每個樣品均進行多次測試，測試結果取平均值。在三電極體系下，以飽和甘汞電極作為參比電極，鉑絲網作為對電極，以質量分數為3.5%的NaCl水溶液為反應電解質溶液，開路電壓測試時間為1200 s，測試完開路電位后對合金進行極化測試，開路電壓±0.6 V、掃描速度為2 mV/s。

2實驗結果

2.1 XRD測試及SEM分析

圖1為（NiCoV）99-xCuGax合金不同退火溫度下的XRD譜圖。可以看出，鑄態合金為面心立方結構，隨著Ga含量的增加和退火溫度的升高，合金維持穩定的單一面心立方結構。隨著退火溫度的升高，合金的（111）晶面的特征峰強度增強，這_{43cc58826a8dc44bc8547647816bef31}是因為合金元素發生了重新組合。隨著Ga含量的增加，合金的三強峰整體向右偏移，這是由于原子半徑較大的Ga替換了原子半徑較小的合金元素，使晶格變大，晶格畸變能也隨之變大[13]。

圖2為（NiCoV）98CuGa1合金的SEM圖。由圖2可以看出，室溫下有大量析出相呈堆積狀，隨著退火溫度的升高，析出相逐漸減少，這是由于析出相出現了回溶[14]。

2.2硬度測試

圖3為（NiCoV）99-xCuGax合金分在不同退火溫度下的維氏硬度圖。從圖3中可以看出，隨著Ga含量的增加，合金的維氏硬度逐漸上升，當x=3時，為563.4±10。這是因為隨著Ga含量的增加，Ga與Ni、Co、V、Cu形成了越來越多的金屬間化合物[15]。隨著退火溫度的升高，合金的維氏硬度逐漸下降。

2.3拉伸性能測試

圖4為（NiCoV）99-xCuGax合金在不同退火溫度下的應力?應變曲線。從圖4中可以看出，當x=1時，未退火的合金的抗拉強度和伸長率明顯高于x=0時的，這說明Ga的加入產生了析出強化。當x=3，在退火溫度為1000℃時，合金的伸長率下降。對比各組應力?應變曲線得出，（NiCoV）96CuGa3合金在退火溫度為950℃時的綜合力學性能較好，抗拉強度為（992±10）MPa，伸長率為48.70%。

2.4拉伸斷口分析

圖5為（NiCoV）99-xCuGax合金在不同退火溫度下的拉伸斷口形貌。從圖5（a）中可以看出，x=0，在未退火時的斷口上有明顯的剪切韌窩，說明該合金的斷裂方式為韌性斷裂，隨著退火溫度的升高，韌窩數量逐漸增多，孔洞增大。從圖5（b）中可以看出，x=1時，斷口上的韌窩數量增多，由韌性斷裂變為明顯的解理斷裂，隨著退火溫度的升高，韌窩數量也增多。從圖5（c）中可以看出，x=2時，斷口上出現了金屬間化合物，同時韌窩孔洞增大，但韌窩數量減少，隨著退火溫度的升高，韌窩尺寸減小，數量增多。從圖5（d）中可以看出，x=3，在未退火時的斷口上富集了更多的金屬間化合物，韌窩數量進一步減少，隨著退火溫度的升高，韌窩數量先增多后減少，韌窩尺寸先增大后減小，這說明退火溫度過高，（NiCoV）96CuGa3合金發生再結晶，位錯密度降低，孔洞合并，韌窩尺寸增大、變深。

適量的Ga有助于韌窩的形成，使合金的伸長率上升，但過量的Ga會導致韌窩減少，從而導致伸長率下降。退火溫度的升高也有助于韌窩數量的增多，使合金的伸長率上升。Ga含量過高時，退火溫度過高會導致合金發生再結晶，使位錯密度降低，孔洞合并，韌窩的尺寸增大、變深，使合金的伸長率下降。

2.5耐腐蝕性能測試

圖6為（NiCoV）99-xCuGax合金在不同退火溫度下的動電位極化曲線。由圖6可知，合金未退火時，合金的耐腐蝕性能隨著Ga含量的增加出現先上升后下降的趨勢，（NiCoV）98CuGa1合金的耐腐蝕性能較好。這是因為隨著Ga含量的增加，合金中的晶格畸變能增大，晶格畸變嚴重。由圖6可知、隨著退火溫度的升高，在900℃退火的（NiCoV）98CuGa1合金的耐腐蝕能較好。此時該合金的極化電阻最大，腐蝕電流最小，該合金的組織結構細小，成分分布均勻。隨著退火溫度的升高，合金的析出相發生了回溶，合金元素的偏析加劇，容易形成新的缺陷使其耐腐蝕性能下降[16]。

3結論

（1）（NiCoV）99-xCuGax合金是一種具有穩定面心立方結構的合金，經過冷軋、退火處理后保著面心立方結構，具有較強的結構穩定性。

（2）（NiCoV）99-xCuGax合金隨著Ga含量的增加，抗拉強度先上升后下降。這是因為，適量的Ga有助于析出相的生成；過量的Ga會使的合金中生成金屬間化合物，導致合金的抗拉強度降低。

（3）退火溫度升高有助于（NiCoV）99-xCuGax合金的伸長率提高，但是當加入Ga的含量過高時，合金的伸長率下降。（NiCoV）96CuGa3合金在退火溫度為950℃時的綜合力學性能較好，抗拉強度為（992±10）MPa，伸長率為48.70%。

（4）隨著Ga含量的增多，（NiCoV）99-xCuGax合金的耐蝕性能先上升后下降。隨著退火溫度的升高，合金的耐蝕性能先上升后下降

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（編輯：畢莉明）