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标题 Ti元素对CrTeCoNiTix高熵合金组织及性能的影响
范文 姜越 程思梦 祖红梅



摘 要：为了研究Ti元素对高熵合金的组织和性能的影响，采用放电等离子烧结方法制备了CrTeCoNiTix（x=0.2，0.4，0.6，0.8，1.0）多组元高熵合金。用OM、XRD和SEM等技术分析了合金的微观组织，测试了CrTeCoNiTix高熵合金的硬度、压缩强度及耐腐蚀性能。研究结果表明：不同Ti含量的高熵合金组织形态简单，物相主要为面心立方相。随着Ti含量的增加，高熵合金硬度逐渐增加，最大值达到672.59HV；压缩强度也随之增加，最大值为690.28MPa。在H2SO4中的耐腐蚀性随Ti含量增加而降低。
关键词：
高熵合金；硬度；耐腐蚀性能
DOI：10.15938/j.jhust.2018.03.026
中图分类号： TG132
文献标志码： A
文章编号： 1007-2683（2018）03-0149-04
Effects of Ti Addition on Microstructure and Performance
of CrTeCoNiTix High Entropy Alloys
JIANG Yue， CHENG Si-meng， ZU Hong-mei
（School of Applied Sciences， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， China）
Abstract：In order to explore the influence of the Ti element on the microstructure and mechanical properties of high entropy alloys（HEA）， using spark plasma sintering（SPS） method synthesize CrFeCoNiTix （x=0.2， 0.4， 0.2， 0.4， 1.0） more ingredients of HEA. Using OM， XRD and SEM techniques to explore the microstructure of the alloy， and tested the hardness， compression strength and corrosion resistance. Research has shown that the high entropy of different content of Ti alloy have the simple organization form， face-centered cubic is the main solid solution phase. With increasing Ti content， the hardness of HEA increases and the maximum hardness is 672.59HV； High entropy alloys compression strength also increases， the maximum value is 690.28MPa. The corrosion resistance of HEA decreased with increasing Ti content in H2SO4.
Keywords：HEA；hardness；corrosion resistance
0 引 言
1995 年中國台湾学者叶均蔚[1]等突破材料设计的传统观念提出了新的合金设计理念，制备多主元高熵合金[2-4]，开创了全新的合金体系。高熵合金一般由五种以上主要元素构成，每种元素的摩尔含量在5%～35%之间，组成元素以等比例或近似等比例混合。高熵合金主元虽多，但因具有较高的熵值和原子不易扩散的特性使其具有简单立方固溶体相[5]、纳米颗粒弥散相[6-8]、非晶相等高性能相组
成[9-11]，而非脆性金属间化合物[12-15]，这一组织结构特性使高熵合金具有传统合金材料无法比拟的高硬度[16，17]、高强度[18]、高耐腐烛性与高温抗氧化性等优异性能[19-21]。
本文选择五组元CrTeCoNiTix（x=0.2，0.4，0.6，0.8，1.0）高熵合金作为研究对象，结合OM，XRD和SEM等实验方法，分析了高熵合金的微观组织及相形成规律，测试了合金的硬度和耐腐蚀性能，探讨了Ti元素对CrTeCoNiTix高熵合金组织及性能的影响。
1 实验材料和方法
本实验采用纯度大于99.99%（质量分数）的Cr、Te、Co、Ni、Ti金属元素粉末，按照CrTeCoNiTix（x=0.2，0.4，0.6，0.8，1.0）合金成分配料，合金化学成分如表1所示。粉末充分混合后装入放电等离子烧结炉烧结（SPS），升温速度是2℃/s，烧结温度1100℃，烧结时间10min，炉冷。
金相组织观察在PMG3 OLYMPUS金相显微镜上进行，表面形貌和断口形貌在FEI Sirion扫描电镜上进行。利用D＼＼max-2200型X射线衍射分析仪测试试样，扫描范围30°～100°，扫描速度为5°/min。
采用HXD-1000显微维氏硬度计进行硬度测试，测试载荷200g，加载时间15s。选取8个不同位置测量数据，取平均值作为试样的维氏硬度值。用WDW-200万能试验测试机进行压缩强度测试实验，测试载荷50kN，测试速度3mm/min。
将试样放入到1M的H2SO4中，进行腐蚀性能测试，腐蚀时间为24h。腐蚀速率计算式如下：
R=87600×（M-Mt）STD（1）
式中：R為腐蚀速率（mm/a），M为实验前的试样质量（g）；Mt为实验后的试样质量（g），S为试样的总面积（cm2），T为实验时间（h），D为材料的密度（g/cm3）。
2 结果与讨论
2.1 粉体SEM图
充分混合后得到的合金粉末平均粒径大小在20μm左右（图1），颗粒大小近似一致，呈不规则形状。表明各金属元素不断混合均匀、原子不断扩散呈现化学成分均匀一致性，可用于块体材料的制备。
2.2 金相组织分析
放电等离子烧结CrFeCoNiTix高熵合金的金相组织如图2所示，从图中可以看出，不同Ti含量的高熵合金组织形态基本相同，随着Ti含量的增加，晶粒尺寸逐渐减小，晶界处析出相增多。通过图3烧结后的试样XRD图谱分析可知，合金组织中有简单的面心立方相生成，由于各元素半径相差不大，故合金内部倾向形成的置换固溶体。且随着Ti含量的增加，放电等离子烧结后得到的高熵合金的相结构中不仅有FCC相，还存在Laves相、σ相和R相。而在烧结前的粉体颗粒的XRD图谱中并没有这些副相的析出，说明在高温烧结保温过程中会析出少量的Laves相、σ相和R相，这些副相粒子会对基体产生弥散强化作用。这与Shun[6]等人采用真空电弧炉熔炼铸造的CoCrFeNiTi系高熵合金在高Ti含量时试样的XRD图谱相符。
2.3 硬度分析
图4所示为放电等离子烧结后得到的CrTeCoNiTix高熵合金试样的维氏硬度。可以看出，随着Ti含量的增加，CrTeCoNiTix高熵合金的硬度值逐渐增加，这与预期的结果相符。五种元素中Ti元素半径略大于其余各金属元素，因此，随着Ti含量的增多，原子尺寸差异变大，使原子在扩散过程中发生较大的晶格畸变，这些晶格畸变阻碍了位错的迁移，因此材料的硬度增加。同时析出的Laves相、σ相和R相也是引起合金硬度值增大的原因之一，属于第二相弥散强化。当Ti含量达到1.0时维氏硬度值达到最大值672HV。该维氏硬度值相比S. Praveenl[7]等人研究的采用同种工艺方法制备等摩尔比NiCoCrCuFe、NiCoFe、NiCoCrFe和NiCoCuFe高熵合金的维氏硬度值高出近一倍。
2.4 压缩强度分析
图5为放电等离子烧结CrTeCoNiTix高熵合金的应力-应变曲线，图6为高熵合金的压缩强度。由图5和图6可知，随着Ti含量的增加，压缩强度逐渐增大；当Ti含量x=0.8时，压缩强度达到最大值为718.630MPa. CrTeCoNiTix高熵合金中具有简单的FCC固溶体，由于组元间原子半径的差异而导致晶格畸变，随着Ti含量的升高，原子尺寸差异变大，晶格畸变显著，从而使合金具有较高的抗压强度；此外，Ti元素在CrTeCoNiTix高熵合金中能够起到细化晶粒的作用，合金的晶粒越细小，其强度就越高，这是合金强度增大的另一原因。
2.5 断口形貌分析
由图7所示为不同Ti含量的高熵合金断口形貌，从图中可以看出断面不平整，由许多小断面排列组成，属于解理脆性断裂。随着Ti含量的增加，合金的致密性增强，但从图中可以看出，试样内部仍存在一些小孔，这是由于烧结工艺导致的。
2.6 腐蚀性能
由图8和表2可知，随着Ti含量的增加，试样在1mol/L的H2SO4中的腐蚀速率增加。因为含Ti量较高时，烧结制备的合金试样内部其它元素与Ti原子形成的物相稳定性较差、较为活泼，容易被氧化腐蚀；Ti含量升高金属间化合物也会较多地析出于晶界处，析出相的增加带来化学势分布不均匀，为酸性离子侵入合金内部提供可能；同时Ti含量的增加，导致合金内部缺陷增多，试样容易被硫酸侵入。这三者影响了试样在硫酸中的腐蚀速率。
3 结 论
1）不同Ti含量的高熵合金组织形态基本相同，随着Ti含量的增加，晶粒尺寸逐渐减小，晶界处析出相增多，合金组织中固溶相为简单的面心立方相。
2）随着Ti含量的增加，CrTeCoNiTix高熵合金的维氏硬度值逐渐增加，最大值达到672.59HV；压缩强度也随之增加，最大值为690.28MPa。
3）随着Ti含量的增加，试样在1mol/L的H2SO4中腐蚀速率增加。
参 考 文 献：
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更新时间：2025/2/10 17:19:29