AlCrFeNi多主元高熵合金的高溫性能

尚建路，程從前，王 銳，祝志超，趙 杰

（大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，大連116085）

0 引 言

隨著發(fā)電設(shè)備、燃?xì)廨啓C(jī)等的飛速發(fā)展，高溫材料及其高溫性能越來越受到重視。傳統(tǒng)的金屬材料成分設(shè)計(jì)是以一種元素為基礎(chǔ)，并添加少量的其它合金元素來改善合金的組織和性能［1］。1995年葉鈞蔚率先提出了多主元高熵合金的設(shè)計(jì)理念。這種合金沒有基體元素，但具有多種元素的集體效應(yīng)，即原子排列混亂，呈現(xiàn)簡單的結(jié)晶相［2］，同時(shí)澆鑄后或者熱處理后形成納米晶或非晶，從而強(qiáng)化合金的多項(xiàng)力學(xué)性能，使合金具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨及良好的耐腐蝕性能等。例如，AlxCoCrCuFeNi合金具有較好的耐磨性且在800 ℃具有較高的強(qiáng)度［3］；AlCoCrFeNiTi0.5合金具有很高的室溫壓縮性能，其屈服強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度分別為2.26，3.14 GPa［4］。但目前關(guān)于多主元高熵合金的高溫拉伸、蠕變及相關(guān)斷裂機(jī)制研究甚少，為豐富相關(guān)研究，作者以AlCrFeNi多主元高熵合金為對(duì)象，研究了其高溫拉伸及蠕變性能，并分析了相關(guān)的斷裂機(jī)制。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

采用高純度（99.9%）的鋁、鉻、鐵、鎳為原料，在氬氣的保護(hù)下，利用真空中頻感應(yīng)加熱爐熔煉AlCrFeNi多主元高熵合金（鋁、鉻、鐵、鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為31.3%，18.5%，21.6%，28.6%）。先將原料按照質(zhì)量比配好，放置在爐膛內(nèi)，關(guān)上爐蓋抽真空至小于20Pa，以保證合金在熔煉和澆注過程中不被氧化；加熱原料至1 600 ℃左右，反復(fù)熔煉3次以確保成分的均勻性，然后澆鑄獲得鑄態(tài)試樣。

將鑄態(tài)試樣在電阻爐中進(jìn)行四種工藝的時(shí)效處理（900 ℃×1h，900 ℃×100h，1 000 ℃×1h，1 000 ℃×100h），水冷；另外，在真空爐中進(jìn)行1 200 ℃×12h退火處理。

將鑄態(tài)試樣在RD-50型電子式持久蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)上進(jìn)行高溫（700℃）短時(shí)拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為0.001mm·s-1；另在同一設(shè)備上于應(yīng)力150 MPa，溫度700℃條件下進(jìn)行高溫蠕變持久試驗(yàn)。分別利用MEF-3型光學(xué)顯微鏡，JSM-5600LV 型掃描電鏡（SEM）觀察試樣的組織及其斷口形貌；利用ShimadzuXRD-6000型X 射線分析儀（XRD）進(jìn)行物相分析，以銅靶Kα射線進(jìn)行測(cè)試，管電壓為40kV，管電流為30 mA，掃描范圍20°～100°，掃描速度為4（°）·min-1；并用SEM 自帶的能譜儀（EDS）對(duì)組成相的化學(xué)成分進(jìn)行測(cè)定；然后再利用DHV-1000型維氏硬度計(jì)測(cè)試樣的硬度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 熱處理對(duì)顯微組織的影響

由圖1 可以看出，鑄態(tài)AlCrFeNi多主元合金主要含有白色相和灰色相，且連續(xù)分布的白色相和灰色相尺寸從晶粒心部到晶界逐漸增大，呈輻射狀；經(jīng)900 ℃×1h，1 000 ℃×1h，900 ℃×100h，1 000 ℃×100h時(shí)效后試樣的組織和鑄態(tài)基本的一致，都是由白色相和灰色相構(gòu)成；1 200 ℃×12h退火后合金的組織也是由白色相和灰色相構(gòu)成，但是晶粒心部分布的白色相變得不連續(xù)。

圖1 經(jīng)不同工藝熱處理前后AlCrFeNi多主元合金的顯微組織Fig.1 Microstructure of AlCrFeNi muti-principal element alloy before and after different heat treatments

圖2 不同溫度熱處理前后AlCrFeNi多主元合金的XRD譜Fig.2 XRD patterns of AlCrFeNi muti-principal element alloy at different temperatures before and after heat treatment

表1 鑄態(tài)AlCrFeNi多主元合金兩相EDS分析結(jié)果（原子分?jǐn)?shù)）Tab.1 EDS analysis result of two phases in cast AlCrFeNi muti-principal element alloy（atom） %

由圖2 可知，鑄態(tài)AlCrFeNi多主元合金為BCC結(jié)構(gòu)。從表1可知，灰色相富含鎳、鋁元素；而白色相富含鉻、鐵元素。文獻(xiàn)［5］中NiAl（Ti）-Cr（Mo）高溫合金也得到了相似的組織，而且該組織由NiAl相和Cr（Mo）相組成，從而可知該合金是由白色的α-（Cr，F(xiàn)e）和灰色的NiAl相構(gòu)成，該合金的組織是BCC結(jié)構(gòu)的共晶組織［6］。從圖2中還可以看出，隨著熱處理溫度的升高，在2θ角為41°和43°處的衍射峰強(qiáng)度越來越大，在1 200 ℃時(shí)達(dá)到最高，說明隨著熱處理溫度的升高NiAl相的含量增多。這是因?yàn)殇X、鎳之間的混合焓較?。ㄈ绫?所示），結(jié)合力更強(qiáng)，所以在熱處理溫度升高的情況下，兩者更易結(jié)合在一起。熱處理后峰位向左偏移，這是因?yàn)殡S著熱處理溫度的升高，固溶到固溶體中的元素量增加，引起了晶格畸變。同時(shí)1 200 ℃熱處理后該多主元合金的組織發(fā)生了變化，具體變化還需要進(jìn)一步的研究證明。

表2 合金中各元素間的混合焓Tab.2 Mixing enthalpy of different atom pairs in alloy kJ·mol-1

從表3可以看出，鑄態(tài)合金硬度最高，經(jīng)900℃×1h，1 000℃×1h熱處理后合金硬度基本沒有變化，但經(jīng)900 ℃×100h，1 000 ℃×100h，1 200 ℃×12h熱處理后合金的硬度有所降低。這是因?yàn)殡S熱處理時(shí)間的延長，該多主元合金的晶粒長大，而1 200 ℃熱處理后心部的白色相變得不連續(xù)，這對(duì)硬度也有一定的影響。

表3 不同狀態(tài)AlCrFeNi多主元合金的硬度Tab.3 Hardness of AlCrFeNi muti-principal element alloy at different states HV

綜上所述，熱處理后合金的相組成和鑄態(tài)基本是一致的，都是由白色相和灰色相組成的BCC 結(jié)構(gòu)。根據(jù)高熵合金的理論，該多主元合金屬于中熵合金，其混合熵對(duì)于維持它的高溫組織穩(wěn)定性也起到很大的作用。所以在高溫下，該多主元合金具有較好的組織穩(wěn)定性。

2.2 高溫短時(shí)拉伸性能

從圖3 可計(jì)算得出，AlCrFeNi多主元合金在700 ℃時(shí)的伸長率和斷面收縮率分別為30.6%和41.0%，具有較好的塑性，屈服強(qiáng)度為328.0 MPa。從圖4可見，試樣斷口呈杯錐狀、纖維狀、有縮頸，呈灰暗色；裂紋是沿著晶界擴(kuò)展的；斷口表面很多小的韌窩和撕裂棱，由此可以得出該合金是韌性斷裂。纖維狀是塑性變形過程中微裂紋不斷擴(kuò)展和相互連接造成的，而灰暗色則是纖維斷口表面對(duì)光反色能力弱所致。斷面凹凸不平，為高低不一的小峰和孔洞，其中凹下的部分先斷裂，凸出的小峰后斷裂。試樣拉伸過程中有明顯的縮頸現(xiàn)象。綜上所述，該合金的斷裂機(jī)制為韌性斷裂和沿晶斷裂的混合機(jī)制。

圖3 700 ℃下AlCrFeNi多主元合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curve of AlCrFeNi muti-principal element alloy at 700℃

2.3 高溫蠕變性能

從圖5可以看出，該合金蠕變曲線有一個(gè)較長的穩(wěn)態(tài)蠕變階段和明顯的加速蠕變階段。從圖6可以看出，蠕變斷口為杯錐狀、纖維狀，灰暗色，相比拉伸試樣斷口而言，蠕變斷口表面的凸凹較淺，也有明顯的頸縮和孔洞；裂紋是沿著晶界擴(kuò)展的，相對(duì)于拉伸試樣的縱截面，蠕變斷口裂紋不僅沿著晶界擴(kuò)展，還有裂紋的二次擴(kuò)展；蠕變斷口上有明顯的韌窩、凹坑和撕裂棱，是明顯的韌性斷裂，與拉伸斷口不同，蠕變斷口的撕裂棱較為凸顯，韌窩較少。從以上分析可知，該合金具有較好的高溫塑性。

圖4 AlCrFeNi多主元合金拉伸斷口的OM 和SEM 形貌Fig.4 OM and SEM morphology of tensile fracture of AlCrFeNi muti-principal element alloy：（a）surface，OM；（b）longitudinal section，SEM；（c）dimples and（d）torn edges in surface，SEM

圖5 AlCrFeNi多主元合金在700 ℃的蠕變曲線Fig.5 Creep curve of AlCrFeNi muti-principal element alloy at 700 ℃

3 結(jié) 論

（1）AlCrFeNi多主元合金是由白色的α-（Cr，F(xiàn)e）相和灰色的NiAl相組成的BCC結(jié)構(gòu)的共晶組織，該合金在高溫下具有較好的組織穩(wěn)定性。

圖6 AlCrFeNi多主元合金蠕變斷口的OM 和SEM 形貌Fig.6 OM and SEM morphology of creep fracture of AlCrFeNi muti-principal element alloy：（a）surface，OM；（b）longitudinal section，SEM；（c）dimples and（d）torn edges in surface，SEM

（2）在高溫下拉伸時(shí)，該合金呈沿晶和韌性斷裂的混合機(jī)制，伸長率和斷面收縮率分別為30.6%，41.0%，屈服強(qiáng)度為328.0MPa；在700℃下的蠕變斷口也呈沿晶斷裂且斷裂前試樣發(fā)生較大的塑性變形，有較好的高溫塑性。

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