材料工程-栏目: 研究论文

TiVNbTa难熔高熵合金的吸放氢动力学

龙雁, 张李敬, 杨继荣, 王芬 — 2024-01-20 00:00:00.0

通过真空电磁感应悬浮熔炼技术制备TiVNbTa难熔高熵合金试样, 采用多通道储氢性能测试仪测试合金的吸放氢性能, 并研究该合金的吸（放）氢行为及其动力学机制。结果表明：单相BCC结构的TiVNbTa难熔高熵合金吸氢后生成TiH_1.971, Nb_0.696V_0.304H和Nb_0.498V_0.502H₂ 3种氢化物新相。氢化高熵合金粉末在519, 593 K和640 K分别发生氢化物的分解反应, 放氢后恢复单相BCC结构, 因此TiVNbTa合金的吸氢反应属于可逆反应。该合金在423~723 K温度区间具有较高的吸（放）氢速率, 其吸（放）氢动力学模型分别符合Johnson-Mehl-Avrami（JMA）方程和二级速率方程, 吸（放）氢的表观活化能E_a分别为-21.87 J/mol和8.67 J/mol。

（Ti₃₅Zr₄₀Nb₂₅）₁₀₀_-_xAl_x（x=0, 5, 10, 15, 20）高熵合金相组成、组织和力学性能

曹前, 蔚鸾翀, 李基民, 叶丰, 刘斌斌 — 2024-01-20 00:00:00.0

难熔高熵合金主要由难熔金属元素组成, 其熔点通常高于1800 ℃, 且具有高热稳定性和优异抗高温软化能力, 在高温领域具有巨大的应用潜力, 但是高密度导致的比强度不足和室温脆性等缺点成为其应用的阻碍。本文设计并制备了系列新型非等原子比（Ti₃₅Zr₄₀Nb₂₅）₁₀₀_-xAl_x（x=0, 5, 10, 15, 20）轻质难熔高熵合金, 研究了Al含量对相组成、组织和力学性能的影响。X射线衍射分析表明, 随着Al含量的增加, 合金的相结构由无序BCC转变为有序B2。五种铸态合金具有类似的组织形貌, 铸锭边缘存在一个沿着冷却方向生长的细长枝晶区域, 铸锭中心区域则主要为等轴枝晶。能谱分析表明Nb元素在枝晶干偏聚, Al和Zr元素则富集在枝晶间, 这是由Nb的高熔点以及Al和Zr的强键合共同决定的。室温压缩实验发现Al含量的增加导致合金的屈服强度和抗压强度均逐渐提升, 但没有降低室温塑性, 所有合金的室温压缩断裂应变均超过50%。

Mo元素对Al_0.3CrFeCoNiMo_x高熵合金组织结构、力学性能和腐蚀行为的影响

范世超, 廖振龙, 李柔珊, 逄淑杰 — 2024-01-20 00:00:00.0

为提高Al-Cr-Fe-Co-Ni系高熵合金的力学性能和耐腐蚀性能, 研究Mo元素对Al_0.3CrFeCoNiMo_x（x= 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 摩尔比, 下同）高熵合金的组织结构、力学性能及腐蚀行为的影响。结果表明：随着Mo元素含量的提高, 合金由FCC相（x=0.2）转变为FCC+σ双相结构（x=0.4~0.8）。当Mo元素含量由x=0.2增加到x=0.8时, 合金的压缩屈服强度和硬度分别由304 MPa和214HV提高到1192 MPa和513HV, 塑性应变由 > 50%降低到5.2%, 这主要是由于固溶强化作用和σ相含量增加。该合金系中, Al_0.3CrFeCoNiMo_0.4和Al_0.3CrFeCoNiMo_0.6合金具有较高的屈服强度（571~776 MPa）和较好的塑性（塑性应变10.3%~23.8%）。在3.5%（质量分数）NaCl溶液中, Al_0.3CrFeCoNiMo_x高熵合金发生自钝化, 具有较低的腐蚀速率（3.6×10^－4~5.9×10^－4 mm/a）, 且Mo元素的添加有效抑制了点蚀的发生。合金的耐腐蚀性能随着Mo含量的增加而提高, 这与合金表面形成的钝化膜阻抗值和厚度提高有关。适当添加Mo元素可以使Al-Cr-Fe-Co-Ni系合金同时具有良好的力学性能和耐腐蚀性能。

TiZrAlHf钛基中熵合金热变形及组织演变规律

刘倩倩, 杨啸雨, 高帆, 李臻熙, 刘宏武, 王青峰 — 2024-01-20 00:00:00.0

为优化新型TiZrAlHf钛基中熵合金的热加工窗口，采用热压缩模拟实验和组织表征的方法对热变形特性、热变形组织演变规律进行研究。结果表明：TiZrAlHf合金铸锭的组织主要由片层状α相和晶界处的魏氏组织组成。合金β转变温度（T_β）为895 ℃，在α/α+β相区（700~850 ℃）测试工艺范围内变形时，变形温度700~750 ℃之间存在失稳区，热变形激活能为827.514 kJ/mol，变形组织主要为球状α相，软化机制为片层状α相球化；在β相区（900~1100 ℃）测试工艺范围内，加工图中不存在失稳区，同时所有试样均完好，无开裂，能够采用自由锻造的方式进行开坯及改锻，热变形激活能为113.909 kJ/mol，变形组织主要为拉长的β晶粒和内部的针状α′马氏体，软化机制为动态回复；两种变形软化机制的本质均为位错的增殖、滑移和胞状结构演化。

Al和Ti含量对激光熔炼Al_xNbTi_yV轻质高熵合金组织与性能的影响

李子兴, 朱言言, 程序, 张言嵩, 高红卫, 霍海鑫 — 2024-01-20 00:00:00.0

轻质高熵合金在结构材料轻量化方面显示出巨大的应用价值，激光熔炼和激光增材制造技术因其极端冶金条件，为高熵合金研制提供了新思路。采用激光熔炼技术制备Al_xNbTiV（x=0.5~7）和AlNbTi_yV（y=1~7）纽扣试样，并对其相结构、显微组织和硬度进行了系统研究。结果表明：Al含量对合金相结构和显微组织有显著影响，Al含量低（x≤2）时，Al_xNbTiV合金由BCC单相固溶体组成；Al含量高（2＜x≤7）时，合金出现金属间化合物，随着Al含量增加由BCC，TiAl相转变为TiAl₃，NbAl₃相。Ti含量在一定范围（y≤7）不会影响合金相结构，AlNbTi_yV合金均由BCC单相固溶体组成。Al，Ti含量对合金硬度均有较大影响，Al_xNbTiV合金由BCC单相组成时，合金硬度随着Al含量的增加硬度升高，金属间化合物的出现使合金硬度不再随Al含量的变化而变化；AlNbTi_yV合金硬度随Ti含量的增加而降低。

添加高熵合金粉末AZ31B镁合金/304不锈钢电阻点焊接头组织和力学性能

成家龙, 程东海, 亓安泰, 肖雄 — 2024-01-20 00:00:00.0

以FeCoNiCrMn高熵合金为中间层，获得高质量的AZ31B/不锈钢电阻点焊接头。分析过渡区与两侧母材的反应扩散行为，检测接头性能并优化焊接工艺。结果表明：包含FeCoNiCrMn颗粒的过渡区成功连接镁、钢两母材。镁合金侧界面主要是颗粒周围反应生成的Fe₄Al₁₃金属间化合物；而不锈钢侧边界主要由（Fe，Ni）固溶体和Fe₄Al₁₃金属间化合物两部分组成。拉剪载荷F随焊接电流I和焊接压力P的增加，焊接时间t的延长，呈现出先升高后降低的趋势，在18.2~22.5 kA，15~35周波，2.0~10.6 kN的实验工艺范围内，添加高熵合金镁/钢点焊接头拉剪载荷在3.2 kN以上，最大拉剪载荷为5.605 kN，相比未添加高熵合金镁/钢点焊接头拉剪载荷提高了397%。高熵合金过渡层形成了大量（Fe，Ni）固溶体，减少Fe₄Al₁₃脆性金属间化合物的生成，有效提高了接头的力学性能。

机器学习指导相和硬度可控的AlCoCrCuFeNi系高熵合金设计

李亚豪, 叶益聪, 赵凤媛, 唐宇, 朱利安, 白书欣 — 2024-01-20 00:00:00.0

采用机器学习辅助高熵合金设计，致力于解决传统试错实验方法时间周期长、成本高的问题。以经典的AlCoCrCuFeNi系高熵合金为研究对象，采用机器学习方法，分别构建高熵合金的相结构预测模型和硬度预测模型。其中支持向量机模型（SVM）在两个任务中均有最好的训练表现，最佳的相分类准确率达0.944，硬度预测模型的均方根误差为56.065HV。进一步串联两种机器学习模型，基于样本数据集上下限的成分空间，对AlCoCrCuFeNi系高熵合金同时进行相和硬度的高效预测和筛选，实现新型合金成分的快速设计。实验验证5种新合金符合相预测结果，测试硬度与预测硬度值的RMSE为12.58HV，表明建立的机器学习模型实现对高熵合金相和硬度的高效预测。

Nb和Ta合金化对CoCrFeNi高熵合金组织和力学性能的协同作用

朱哲, 石增敏, 叶喜葱, 王珂胜, 雷浩锋, 邓李辰贵, 李光宇, 戴雷 — 2024-01-20 00:00:00.0

采用真空电弧熔炼法制备CoCrFeNi-（Nb，Ta）系列高熵合金，详细研究Nb和Ta合金化对CoCrFeNi基高熵合金组织演变和力学性能的协同效应。Nb/Ta合金化方式影响（CoCrFeNi）₈₈Nb_xTa_（12-x）合金的组织组成、共晶相片层间距、Laves相的尺寸形貌、两相体积分数及成分组成。Nb，Ta含量为等原子比时，合金组织组成为FCC+Laves两相共晶组织；Nb，Ta含量为非等原子比的合金则呈现为共晶（FCC+Laves）相和初生Laves相的组织结构，初生Laves相的体积分数和晶粒尺寸随Nb/Ta原子比的增加而单调增加。研究合金的压缩屈服强度与Laves相体积分数正向相关，压缩断裂强度几乎不受组织组成的影响，压缩塑性则与Laves相的体积分数、类型与尺寸分布呈现负相关。计算分析CoCrFeNi-（Nb，Ta）高熵合金的强化机制，探讨合金组织组成对其强度的作用规律。分析表明，细晶强化和Laves相的第二相强化是提升合金屈服强度的主要因素。

铸造中熵金属间化合物FeCoNi₂Al组织、力学性能及工艺性

高威, 宗骁, 孔凡涛, 张凤祥, 丁贤飞, 南海 — 2024-01-20 00:00:00.0

为进一步推动中/高熵金属间化合物的工程化应用, 以FeCoNi₂Al中熵金属间化合物为研究对象, 制备了16 kg级大尺寸合金铸锭, 细致研究和分析了铸态合金显微组织和力学性能, 并采用熔模精密铸造技术浇注了特征结构元件, 评价了合金的铸造工艺性能。结果表明, 大尺寸FeCoNi₂Al中熵金属间化合物铸锭具有良好的成分均匀性, 铸态合金由具有树枝状形貌的B2初生相和枝晶间具有片层结构的L1₂+B2相共晶组织构成, 室温下铸态合金抗拉强度达1115 MPa, 伸长率为4.6%, 650 ℃下合金抗拉强度为434 MPa, 伸长率可达14.6%, FeCoNi₂Al中熵金属间化合物熔体的流动性低于TC4合金, 优于TiAl-4822合金。当特征结构元件壁厚为2 mm时, 板状试样出现欠铸且内部存在大量缩松型铸造缺陷, 熔体以端部固相质点聚集堵塞为主的方式停止流动。相关研究结果为中/高熵金属间化合物熔模精铸成形工艺优化和工程化应用奠定一定技术基础。

AlCrNiFeTi高熵合金涂层的电火花沉积制备与摩擦磨损性能

张建斌, 南志远, 朱程, 郭鑫 — 2024-01-20 00:00:00.0

采用真空电弧熔炼法制备直径为7 mm AlCrNiFeTi高熵合金（high-entropy alloy, HEA）作为电极, 使用电火花沉积技术在304不锈钢表面成功制备了AlCrNiFeTi高熵合金涂层。通过XRD、OM、EDS、SEM、显微硬度计、摩擦磨损试验机对涂层的微观组织结构和摩擦磨损性能进行研究。结果表明, AlCrNiFeTi电极与涂层均以BCC1和BCC2简单固溶体为主, 电极微观组织结构呈典型的树枝晶。涂层由沉积点堆叠铺展形成, 表面均匀致密呈橘皮状、凸凹不平, 为喷溅花样展开, 涂层截面结构无宏观缺陷, 厚度约为59.67 μm。AlCrNiFeTi涂层最大显微硬度为587.3HV_0.2, 比基材的硬度提高了约2.45倍。随着载荷的增大, 涂层的磨损机制由氧化磨损和轻微磨粒磨损转变为磨粒磨损和黏着磨损。当摩擦载荷为5 N时, 磨损率为1.213×10^-3 mm³/（N·m）, 摩擦因数仅为0.446, 涂层的磨损率较基材的磨损率减小了约28.3%。

高熵型MnCuNiFeZn阻尼合金的高温阻尼行为与相变特征

梅玲, 牛红康, 丁双东, 田青超 — 2024-01-20 00:00:00.0

制备了新型MnCuNiFeZn高熵阻尼合金, 利用X射线衍射仪、扫描电镜、透射电镜、动态热机械分析仪（DMA）与热膨胀仪等研究其微观组织、阻尼特性以及相变特征。研究表明, 在固溶以及不同时效工艺下, MnCuNiFeZn合金均为单一母相, 合金晶粒大小均匀, 呈现出高位错密度特征。随着时效时间的延长, 合金常温下发生磁性转变, 但常温段的内耗值很低；在673 K以上的高温域, MnCuNiFeZn合金因相变使得内耗值急剧提高。

TiVNbTa/Inconel 600扩散焊接头的组织与性能

李娟, 沈宽春, 尹蓉, 赵宏龙, 罗少敏, 周念, 秦庆东 — 2024-01-20 00:00:00.0

鉴于TiVNbTa难熔高熵合金优异的耐蚀性和高温强度, 针对其与高温合金复合使用的潜在应用前景, 研究TiVNbTa和Inconel 600的扩散焊接性能。在850~1150 ℃条件下对二者进行了扩散焊研究, 对850~1000 ℃下所得接头的微观组织进行了观察, 对所有温度下所得接头的剪切强度进行了检测。研究结果表明, 除850 ℃下所得接头只含一层富Ni界面层外, 其余接头均具有“Inconel 600/镍基扩散层/富Cr层/富Ti层/富Ni层/TiVNbTaNi（Fe, Cr）扩散层/TiVNbTa RHEA”多层界面结构, 其中富Ni层为具有菱方晶体结构的Ni₂Ti型金属间化合物, 富Cr层为具有密排六方晶体结构的Cr₂X型Laves金属间化合物。950 ℃下所得接头具有最高剪切强度, 其值为357 MPa, 断裂主要发生在接头中具有Ni₂Ti型晶体结构的金属间化合物层, 裂纹扩展穿过多层界面。接头界面形成机理分析结果表明, 扩散焊过程中, Ti, V, Nb, Ta元素由RHEA侧向Inconel 600合金侧扩散, Ni, Fe, Cr元素由Inconel 600合金侧向难熔高熵合金侧扩散。其中, Ti和Ni元素扩散剧烈；Cr和Ni元素在界面化学反应的驱动下发生偏聚；Nb和Ta元素的扩散因Ni₂Ti型界面层的形成而受阻, 从而出现分层。

选区激光熔化成形FeCrNi中熵合金点阵结构及其力学性能

孙驰, 汪健, 贺贺, 秦冬阳, 曹远奎, 付遨, 刘彬 — 2024-01-20 00:00:00.0

金属点阵结构材料由于其轻量化、高比强度、能量吸收和多孔性等优势, 广泛应用于航空航天、汽车工业等领域。以高强韧FeCrNi中熵合金（medium entropy alloy, MEA）为研究对象, 采用选区激光熔化（selective laser melting, SLM）技术制备了具有BCC, BCCZ, FCC, FCCZ四种仿晶格结构的FeCrNi中熵合金点阵结构材料, 对其显微组织、力学性能及变形行为进行了系统研究。结果表明, 采用SLM技术制备的FeCrNi中熵合金点阵结构节点搭接质量高, 熔池交错堆叠致密, 晶粒均匀细小。在相对密度相近时, BCC, FCC, BCCZ, FCCZ点阵结构的比强度和比能量吸收值依次升高。具有FCCZ点阵结构的FeCrNi中熵合金材料的比能量吸收值达到49.8 J·g^-1, 显著高于Ti6Al4V及316L不锈钢点阵材料。有限元模拟分析表明, Z型支柱的存在增加了点阵材料的表观强度和刚度, 并导致变形行为由结点弯曲主导向拉轴向压缩主导转变, 是FCCZ点阵结构强度提升的主要原因。

激光增材制造Al_xCoCrFeNi高熵合金的组织与性能

于丽莹, 王晨, 朱礼龙, 张华, 黄海亮, 阮晶晶, 张尚洲, 江亮, 周鑫 — 2024-01-20 00:00:00.0

为了研究Al含量对FeCoCrNi合金组织性能的影响, 采用多路送粉激光熔覆设备高通量制备Al_xCoCrFeNi高熵合金（0≤x≤0.9）, 通过X射线衍射仪、金相显微镜、扫描电子显微镜、电子探针和显微硬度计测试合金的相组成、显微组织结构、成分和硬度。结果表明：随着Al含量的增加, Al_xCoCrFeNi高熵合金由单一FCC相（x≤0.35）转变为FCC+BCC双相结构（0.35 < x < 0.85）, 最后转变为单一BCC结构（x≥0.85）。高熵合金的微观组织为柱状枝晶和均匀的等轴枝晶, Al含量增至x=0.5时, 枝晶间开始出现明暗交替的调幅分解结构, 由无序相A2和有序相B2组成。显微硬度测试结果表明：Al_xCoCrFeNi高熵合金的硬度基本随Al含量增加而增加, Al_0.9CoCrFeNi的硬度相较于FeCoNiCr提升了146%。此外, 当Al含量达到一定值时（x≥0.6）, 合金中开始有裂纹出现, 裂纹尺寸和密度随Al含量继续增加而增加, 这主要与合金凝固区间变宽、在凝固温度附近的黏度值增加导致的热裂纹增加, 以及由于脆性的BCC相和σ相含量增加引起的冷裂纹有关。

电爆喷涂FeCoCrNiAl_x高熵合金涂层的形成机制与性能

闫维亮, 周辉, 朱亮, 魏玉鹏 — 2024-01-20 00:00:00.0

采用电爆喷涂技术在TC4钛合金表面制备FeCoCrNiAl_x（x=0, 0.5, 1.0, 摩尔比, 下同）涂层。使用XRD, SEM, EDS, 显微硬度计以及摩擦磨损实验等材料分析手段, 研究Al含量对高熵合金涂层物相结构、表面形貌、显微硬度和耐磨性能的影响。结果表明：涂层的晶粒尺寸为纳米级, 均形成了简单的FCC, BCC及FCC+BCC结构固溶体。随Al元素的增加, 物相结构由FCC相逐渐向BCC相转变。涂层表面平整、致密, 没有明显的裂纹等缺陷, 且各元素分布均匀, 并没有发现元素偏聚现象。划痕测试表明, FeCoCrNiAl_1.0涂层出现失效的平均临界载荷为37.2 N；涂层与基体呈冶金结合。涂层的硬度和耐磨性与Al含量呈正相关关系, x=1.0时, 平均显微硬度达到最大值531.8HV, 约为基体的1.62倍；FeCoCrNiAl_1.0涂层的磨损量最小, 耐磨性约为基体的3.9倍, 磨损机制主要为磨粒磨损。

Ni, Co元素对FeCrAlCu系高熵合金涂层组织和耐磨性能的影响

刘建军, 马凯, 丁雨田, 冯力 — 2024-01-20 00:00:00.0

为了解决金属零件表面的防护问题, 采用冷喷涂辅助感应重熔合成高熵合金涂层的方法, 在45^#钢基体表面制备FeCrAlCu, FeCrAlCuNi, FeCrAlCuCo, FeCrAlCuNiCo高熵合金涂层, 通过XRD, SEM, EDS, TEM, 磨擦磨损试验机等, 研究Ni, Co元素添加对FeCrAlCu系高熵合金涂层的相结构、显微组织以及耐磨性能的影响。结果表明：FeCrAlCu系高熵合金涂层均为FCC+BCC相构成, 其中Ni元素添加可以促进FCC相形成, Co元素添加促进B2相（AlCo）生成。FeCrAlCu系高熵合金涂层组织均为树枝晶, 随着Ni, Co元素的同时添加, 涂层中的枝晶数目增加, 并明显粗化。Ni, Co元素同时添加时, FeCrAlCuNiCo高熵合金涂层的摩擦性能最佳, 涂层的硬度为565.5HV, 摩擦因数为0.349, 磨损率为3.97×10^-5 mm³·N^-1·m^-1。

高温热处理对Al_xCoCrFeNi（0.5≤x≤0.8）高熵合金微观组织及力学性能的影响

曹雷刚, 王帆, 侯鹏宇, 杨越, 崔岩 — 2024-01-20 00:00:00.0

采用电弧熔炼法制备Al_xCoCrFeNi（0.5≤x≤0.8）高熵合金, 研究1100 ℃高温热处理对合金微观组织和力学性能的影响。结果表明：铸态合金依次呈现为FCC枝晶组织（x=0.5和0.6）、类共晶组织（x=0.7）和BCC/B2枝晶组织（x=0.8）。相应地, 合金屈服强度和抗拉强度分别由291 MPa和733 MPa（x=0.5）提升至1004 MPa和1423 MPa（x=0.7）, 伸长率由39.7%（x=0.5）降低至6.8%（x=0.7）。经1100 ℃高温热处理, FCC枝晶相脱溶析出大量棒状B2相, 可以提升合金强度, 而BCC/B2调幅组织转变为FCC和B2双相组织（FCC相含量增加）, 可以提升合金塑性。因此, 以FCC枝晶组织为主的Al_0.5CoCrFeNi合金高温热处理后屈服强度和抗拉强度分别提升至370 MPa和866 MPa, 伸长率降低至30.1%。相比而言, Al_0.6CoCrFeNi合金调幅组织体积分数有所增加, 两种相变对合金组织和性能影响均较大, 故而热处理态合金力学性能基本不变。Al_0.7CoCrFeNi和Al_0.8CoCrFeNi合金调幅组织体积分数更高, 热处理态合金均表现为FCC和B2双相组织, 合金塑性提升, 强度降低。其中热处理态Al_0.7CoCrFeNi合金伸长率提升至14.2%, 屈服强度和抗拉强度分别降低至586 MPa和1092 MPa。