難熔高熵合金性能及粉末介紹

RHEAs與高熵合金相似,成分的改變會(huì)使其微觀結(jié)構(gòu)、相組成、強(qiáng)度及塑性等隨之發(fā)生變化,進(jìn)而影響合金的力學(xué)性能。此外,應(yīng)變速率的改變也會(huì)影響 RHEAs均勻變形時(shí)的力學(xué)性能。近年來研究的部分 RHEAs的室溫力學(xué)性能如下表所示。

傳統(tǒng)合金在高溫下存在明顯軟化現(xiàn)象,而RHEAs在高溫下仍保持著優(yōu)異的力學(xué)性能,被認(rèn)為 是能夠在高溫條件下服役的良好候選材料。在1000℃以上,RHEAs的力學(xué)性能主要受固溶強(qiáng)化機(jī)制的影響。目前已報(bào)道的RHEAs絕大部分是單相或雙相結(jié)構(gòu),表明優(yōu)異的高溫力學(xué)性能不一定需要依賴合金的多相結(jié)構(gòu)。部分RHEAs的高溫力學(xué)性能如下表所示。

部分RHEAs的高溫力學(xué)性能

與傳統(tǒng)難熔合金一樣,RHEAs不可避免地出現(xiàn) 高溫抗氧化性能較差的缺陷,研究如何提高 RHEAs 的高溫抗氧化性能成為一個(gè)重要方面。RHEAs中的Mo,W,V等元素的氧化物在高溫下易發(fā)生揮發(fā),破壞合金表面的氧化膜,從而使氧化反應(yīng)速率增加,降低合金的高溫力學(xué)性能。此外,合金表面氧化膜是否連續(xù)、完整是合金高溫抗氧化的前提,應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致氧化膜的 開裂或剝落。在氧化過程中會(huì)產(chǎn)生兩種應(yīng)力:一是在恒溫氧化過程中,因氧化膜生長(zhǎng)而產(chǎn)生的生長(zhǎng)應(yīng)力;二是在冷卻過程中,因金屬與氧化物熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。生長(zhǎng)應(yīng)力與消耗的合金基體和形成的氧化物之間體積不匹配有關(guān)。純金屬與合金氧化可用 Pilling-Bedworth比(PBR)判斷,計(jì)算公式為:

PBR= Vox/Vm (1)

式中:Vox為生成氧化膜的體積;VM為消耗金屬的體積。PBR>1,氧化物中產(chǎn)生壓應(yīng)力,氧化膜較為致密, 抗氧化性強(qiáng)。反之,則產(chǎn)生拉應(yīng)力,抗氧化性差。在冷卻過程中,熱應(yīng)力過大會(huì)導(dǎo)致氧化膜剝落,但目前氧化物的熱膨脹系數(shù)一般低于金屬,在冷卻過程中產(chǎn)生壓應(yīng)力,使得氧化膜具有較好的黏附性,合金的抗氧化性提高。

RHEA作為運(yùn)動(dòng)副材料使用時(shí),其摩擦磨損性能會(huì)直接影響材料的可靠性及使用壽命。研究 RHEAs摩擦磨損性能的主要方法為球盤式和納米劃痕法。目前,大多數(shù)關(guān)于RHEAs摩擦磨損性能的研究?jī)H限于室溫,在高溫下的研究較少。固溶體結(jié)構(gòu)與主要組元的含量都會(huì)影響 RHEAs的摩擦磨損行為。郭亞雄等探究了Nb含量對(duì)AlCrFeMoNbTiW RHEAs耐磨性的影響,發(fā)現(xiàn)隨著Nb含量增加,合金中碳化物和金屬間化合物含量上升,硬度提高,降低了摩擦副之間的塑性接觸,合金磨損量降低,摩擦磨損性能得到提高。Pole等研究了HfTaTiVZr和TaTiVWZr兩種RHEAs在298~ 723K溫度范圍內(nèi)的摩擦磨損行為,合金的穩(wěn)態(tài)摩擦因數(shù)在0.23~0.35范圍內(nèi),是目前所報(bào)道的最低值。當(dāng)溫度從298K升高到423K時(shí),合金的磨損機(jī)制從黏著磨損和磨粒磨損轉(zhuǎn)變?yōu)槟チＤp。

RHEAs作為新一代高溫材料需在高溫下長(zhǎng)時(shí)間工作,這可能會(huì)導(dǎo)致合金的相結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,進(jìn)而對(duì)合金的高溫強(qiáng)度造成影響。因此,合金的熱穩(wěn)定性對(duì)其能否在高溫下應(yīng)用有著決定性作 用,但目前對(duì)RHEAs在高溫條件下的熱穩(wěn)定性研究較少。姚俊卿將Hf0.5Nb0.5Ta0.5Ti1.5ZrRHEAs 在 500~ 900℃下進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)14天的退火,結(jié)果表明,合金在 800℃以上始終保持著單相BCC結(jié)構(gòu),在800℃以下 發(fā)生了不同程度的相分解轉(zhuǎn)變。合金在700℃下退火14天后發(fā)生了相分解反應(yīng),析出了一種新的富含Nb和Ta的BCC相,合金由原來的單相BCC結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)锽CC1和BCC2組成的雙相結(jié)構(gòu)。分析認(rèn)為,在平衡狀態(tài)下,兩者的吉布斯自由能相差不大,由于 RHEAs的 遲滯擴(kuò)散效應(yīng),Nb和Ta的擴(kuò)散速度較慢,導(dǎo)致BCC2相形核和生長(zhǎng)速度較慢。BCC2相的生長(zhǎng)降低了初始 BCC相晶粒的自由能并改善了晶粒缺陷。