Cr2Fe2NiAlCu 高熵合金的顯微組織與力學(xué)性能研究

傳統(tǒng)合金設(shè)計(jì)通常以單一元素為主，添加少量其他元素以增強(qiáng)性能。然而，葉均蔚在2004年提出了一種新的合金設(shè)計(jì)理念，即高熵合金，它包含五種及以上元素，且每種元素的含量在5at%～35at%之間，按等摩爾比或近等摩爾比混合。高熵合金因其獨(dú)特的四大效應(yīng)——高熵效應(yīng)、遲滯擴(kuò)散效應(yīng)、晶格畸變效應(yīng)和雞尾酒效應(yīng)，而具備高強(qiáng)度、高硬度、高溫穩(wěn)定性及耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)。

本文研究了具有體心立方（BCC）結(jié)構(gòu)的高熵合金Cr2Fe2NiAlCu的顯微組織與力學(xué)性能，通過(guò)真空電弧爐熔煉法制備合金，并在不同溫度下進(jìn)行熱處理，以探究熱處理對(duì)其顯微組織與力學(xué)性能的影響。

試驗(yàn)采用純度≥99.99wt%的高純Al、Cr、Cu、Fe、Ni金屬顆粒，在高純氬氣保護(hù)下，通過(guò)非自耗真空電弧爐進(jìn)行熔煉，反復(fù)熔煉4次以上以確保合金成分與組織的均勻性。熔煉后的合金母錠經(jīng)真空吸鑄法制成棒狀原始試樣，再利用切割機(jī)切割成若干小圓柱塊試樣備用。

圖1展示了熱處理前后Cr2Fe2NiAlCu高熵合金的XRD衍射圖譜。結(jié)果顯示，鑄態(tài)合金為單相體心立方（BCC）結(jié)構(gòu)。盡管Ni和Cu是面心立方（FCC）形成元素，但在本合金體系中，它們更傾向于形成BCC固溶體，這可能與元素間的相互作用及高熵效應(yīng)有關(guān)。熱處理后的合金仍保持BCC結(jié)構(gòu)，說(shuō)明在950℃以下，合金未發(fā)生相變。

通過(guò)光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，鑄態(tài)合金的顯微組織主要由均勻分布的等軸晶粒組成。隨著熱處理溫度的升高，晶粒尺寸略有增大，但整體仍保持良好的均勻性。特別地，800℃熱處理后的合金晶界更為清晰，晶內(nèi)無(wú)明顯析出相，這有利于合金力學(xué)性能的提升。

使用FM-700型顯微硬度計(jì)對(duì)熱處理后的樣品進(jìn)行硬度測(cè)試，結(jié)果顯示，隨著熱處理溫度的升高，合金的硬度先略有增加后趨于穩(wěn)定。其中，800℃熱處理后的樣品硬度達(dá)到最大值，這可能與該溫度下合金的微觀組織結(jié)構(gòu)和相穩(wěn)定性最為優(yōu)化有關(guān)。

圖4展示了不同熱處理溫度下Cr2Fe2NiAlCu高熵合金的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。可以明顯看出，800℃熱處理后的合金在壓縮測(cè)試中表現(xiàn)出了最佳的力學(xué)性能，其抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值1930MPa，同時(shí)塑性變形能力也較好，壓縮率顯著提升。這表明在800℃進(jìn)行熱處理可以有效改善Cr2Fe2NiAlCu高熵合金的力學(xué)性能，特別是其強(qiáng)度和塑性。

通過(guò)Agilent G200納米壓痕測(cè)試儀進(jìn)行的納米壓痕測(cè)試結(jié)果顯示，不同熱處理溫度下的合金在納米尺度上的硬度和彈性模量均有所差異。800℃熱處理后的樣品在納米壓痕測(cè)試中同樣表現(xiàn)出了較高的硬度和較好的彈性模量，這與宏觀力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果相一致。

本研究通過(guò)真空電弧爐熔煉法制備了具有體心立方結(jié)構(gòu)的高熵合金Cr2Fe2NiAlCu，并系統(tǒng)研究了不同熱處理溫度對(duì)其顯微組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，950℃以下的熱處理不改變合金的單相固溶體結(jié)構(gòu)，且熱處理可以顯著改善合金的力學(xué)性能。特別是800℃熱處理后的合金，在壓縮測(cè)試中表現(xiàn)出了最佳的塑性和強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值1930MPa。

【Cr2Fe2NiAlCu 高熵合金的顯微組織與力學(xué)性能研究】

何中雪, 包曉燕, 程翔翔, 封寬洋