元素V對合金AlFeCuCrNi組織性能影響

段友全　劉振振　宋　馳　劉　亮

（1.山推工程機械股份有限公司推土機事業(yè)部，濟寧 272000；2.山東科技大學，青島 266510）

元素V對合金AlFeCuCrNi組織性能影響

段友全1劉振振2宋馳2劉亮2

（1.山推工程機械股份有限公司推土機事業(yè)部，濟寧 272000；2.山東科技大學，青島 266510）

不同的合金元素對高熵合金的組織性能有不同的影響，選擇合適的合金元素可以使高熵合金具有較高的強度和硬度以及抗高溫氧化和耐腐蝕等性能。本文利用真空熔煉技術(shù)研究了元素V對合金AlFeCuCrNi組織性能影響，研究發(fā)現(xiàn)合金AlFeCuCrNiVx為樹枝晶組織，適量的V可以細化合金組織，使一次枝晶的軸向性增強，提高合金的耐腐蝕性能。

高熵合金合金元素組織結(jié)構(gòu)性能

引言

多主元高熵合金一般由五種或者五種以上主元素組成，每種元素按等原子比或者接近等摩爾比組成，為了拓寬合金設(shè)計的范圍，高熵合金的每種主元的含量在5% ～35%之間。在高熵合金中，合金的混合熵高于合金的熔化熵，所以一般情況下形成的是高熵固溶體。

國內(nèi)外許多大學對高熵合金進行了深入研究［1～4］。目前，葉蔚均研究小組對高熵合金進行了較廣泛的研究［5～6］，研究了 Al，F(xiàn)e，Ag，Au等含量的改變對 AlCoCrCuFeNi，AlCrFeMnNi等高熵合金微觀組織和性能的影響，結(jié)果表明：（1）隨著Al元素含量的增加，AlxCoCrCuFeNi高熵合金中體心立方結(jié)構(gòu)的體積分數(shù)和硬度都逐漸增大，而合金的摩擦系數(shù)反而減小，這是由于其耐磨損機制由分層磨損轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸p；（2）添加Fe不會使AlCoCrCuNi高熵合金微觀結(jié)構(gòu)和固溶體相發(fā)生明顯的變化，而這也是AlCoCrCuNi和 AlCoCrCuFeNi兩種合金的硬度接近的主要原因。

Yu-Jui Hsu［7］等研究了在濃度為3.5%的鹽水中進行30天的浸泡實驗后FeCoNiCrCux高熵合金的腐蝕行為，研究發(fā)現(xiàn)：富含銅的枝晶間位置和枝晶形成微電流而發(fā)生的電化學腐蝕是FeCoNiCrCu0.5和FeCoNiCrCu的主要腐蝕類型，而且隨著Cu含量的升高，會明顯加重腐蝕。

北京科技大學的張勇近年來研究了Alx （TiVCrMnFeCoNiCu）100-x，AlCoCrFeNiTi0.5，CoCrCuFeNiTix等高熵合金系的微觀組織和性能［8～9］。得出：（1）當Al含量為零時，Alx（TiVCrMnFeCoNiCu）100-x高熵合金為BCC，F(xiàn)CC，非晶相和σ相等多相共存；當 Al含量逐漸增加時，合金微觀組織趨于簡單，當x=20時，BCC簡單固溶體為其主要相組成；但當Al含量為x=40時，Al3Ti等金屬間化合物開始在合金中出現(xiàn)；（2）在CuxAlCoCrFeNiTi0.5高熵合金中，Cu含量的改變對于合金微觀結(jié)構(gòu)沒有引起明顯的變化，BCC結(jié)構(gòu)仍為其主要結(jié)構(gòu)；當x=0.25和0.5時，枝晶間位置為Cu的主要分布區(qū)域，此時合金的塑性大大降低；而合金的強度只是輕微減小。

不同主元的選擇對于高熵合金的組織性能有著重要的影響，而同主元高熵合金中元素含量的不同對涂層的微觀組織、晶體結(jié)構(gòu)、相組成等同樣有著重要作用。本文重點研究了合金元素 V對合金 AlFeCuCrNi組織性能影響，通過改變V的含量，研究其對合金的微觀組織、晶體結(jié)構(gòu)、相組成及性能的影響。

1　實驗材料及方法

該合金采用高純度（99.99%）的鋁、鐵、銅、釩、鎳和鉻作為原料，利用多功能真空熔煉爐制備系列A1FeCuNiCrVx高熵合金，配比如表1，試樣反復熔煉六次以保證合金成分的化學均勻性。凝固合金鑄錠直徑大約為25mm，厚度約為15 mm。試樣經(jīng)切割、鑲嵌、拋光腐蝕后，采用光學顯微鏡和 KYKY-28008型掃描電鏡以及JXA-8230型電子探針分析合金的顯微組織，采用D/MAX2500PC型X射線衍射儀（掃描速度為8°/min，掃描范圍（2θ）為：20°～100°，步長為0.02°。

表1　合金系A(chǔ)lFeCuCrNiVx（x=0，0.2，0.6，1.0，1.5，2.0）各元素含量

2　實驗結(jié)果分析

2.1顯微組織分析

由圖1可以發(fā)現(xiàn)，當不含有元素V即x=0時，合金AlFeCuCrNi為胞狀樹枝晶；隨著V含量增加，當x=0.2時，合金 AlFeCuCrNiV0.2變?yōu)橹鶢顦渲ЫM織，組織較AlFeCuCrNi合金更為細密，同時二次枝晶臂間距較小；當X=0.6時，組織軸向性增強，且組織更加致密。但是當 V含量進一步增加時，組織出現(xiàn)粗化趨勢，而且枝晶的軸向性減弱，此后隨著V含量的增加，組織形態(tài)基本穩(wěn)定，沒有再出現(xiàn)明顯變化，如圖1（e）和圖1（f）。

圖1　合金AlFeCuCrNiVx金相顯微組織

圖2　合金AlFeCuCrNiVx顯微組織

由圖2可以發(fā)現(xiàn)，當不含有元素V即x=0時，枝晶內(nèi)為粒狀或棒狀的兩相共晶組織；枝晶間也由兩相組成，但兩相含量不同，較少的一相不耐腐蝕，為粒狀或針狀；當x=0.2時，枝晶內(nèi)仍為棒狀或粒狀的兩相共晶組織組成，枝晶間組織形態(tài)也基本未變；當x=0.6時枝晶內(nèi)同樣為兩相共晶組織，但枝晶間組織有稍許變化，由層片狀兩相組織構(gòu)成，晶內(nèi)與晶間整體呈現(xiàn)為葵花的形狀；當x=1.0時，相對于前面三種合金，枝晶間相的體積分數(shù)減少，且晶間為片狀或絲狀兩相的兩相組織，而晶內(nèi)體積分數(shù)增大，且由原來的兩相共晶組織變?yōu)榱藛蜗嘟M織。隨著元素V的繼續(xù)添加，合金AlFeCuCrNiV1.5和合金AlFeCuCrNiV2.0組織基本沒有出現(xiàn)很大變化，仍為枝晶組織，晶內(nèi)為單相組織，而晶間為兩相組織如圖2（e）和圖2（f）所示。

因此，合金AlFeCuCrNiVx組織均為樹枝晶組織，但是隨著V元素的少量添加，合金組織將細化，一次枝晶的軸向性變強，枝晶間組織體積分數(shù)增加，但當V的含量達到x=1.0以上時，合金組織粗化，但晶內(nèi)組織由原來的兩相共晶組織變?yōu)閱蜗嘟M織，而枝晶間組織由原來體積分數(shù)差異較大的兩相變?yōu)轶w積分數(shù)大體等同且組織細密的兩相組織。

2.2相結(jié)構(gòu)分析

合金AlFeCuCrNiVx（x=0，0.2，0.6，1.0，1.5）均為面心立方和體心立方混合結(jié)構(gòu)，而合金AlFeCuCrNiV2.0為兩類體心立方的混合結(jié)構(gòu)，如圖3所示。適量V元素的添加，有增強面心立方相的強度的作用，但當V含量過高時，會使面心立方相的強度減弱，當V的含量x=2.0時，合金最終變由兩種體心立方相組成。而且，當合金中有V元素存在時，在小衍射角20～30°處合金AlFeCuCrNiVx存在較小強度的漫散射形成的衍射波包，這表明合金AlFeCuCrNiVx （x=0.2，0.6，1.0，1.5，2.0）中有非晶態(tài)相的存在。因此，元素V可以促進合金中非晶相的產(chǎn)生。此外合金在多主元的情況下，各主元原子尺寸不同，晶格扭曲較大，隨著角度的逐漸增大，漫散射效應(yīng)將增強，造成了合金中大角度的衍射峰的強度相對較弱。

圖3　合金AlFeCuCrNiVx的XRD圖譜

合金AlFeCuCrNiVx中各相的晶格常數(shù)見表2，可以看出，合金中BCC1的晶格常數(shù)會隨著元素V的含量逐漸增加而逐漸變大，這是因為元素V的原子半徑為1.36A?原子半徑較大，隨著越來越多的大原子半徑V的加入，合金的晶格畸變會逐漸加重，但是BCC相的結(jié)構(gòu)相對松散，晶格上的畸變可以進行一定程度上的調(diào)整，從而可以使整個合金系統(tǒng)的吉布斯自由能下降，BCC相中將會固溶大量V原子，所以增加了BCC相的晶格常數(shù)。

表2　合金AlFeCuCrNiVx中各相的晶格常數(shù)

2.3腐蝕性能分析

由圖4可知，在3.5%NaCl溶液中合金AlFeCuCrNiVx （x=0，0.2，0.6，1.0，1.5，2.0）的腐蝕電位分別為 -1.042V，-0.933V，-0.928V，-1.015V和-1.007V，合金在該溶液中均存在鈍化現(xiàn)象，且合金的鈍化區(qū)間大小基本相同。元素V的添加顯著降低合金的維鈍電流，當V的含量較少只有x=0.2時，此時合金的維鈍電流最小，耐蝕性也最好，然而當V的含量繼續(xù)增高時，合金的維鈍電流繼續(xù)增加，耐蝕性卻變差。因此在設(shè)計合金的過程中，可以添加適量的V元素來改善合金的耐蝕性，提高合金性能。

圖4　合金AlFeCuCrNiVx極化曲線

圖5　合金AlFeCuCrNiVx在3.5%的NaCl溶液中極化后的腐蝕形貌

圖5為合金極化后腐蝕形貌圖，合金均為晶間腐蝕，晶間為不耐腐蝕的FCC相，晶內(nèi)為耐蝕性較好的BCC相，這與前面的成分分析結(jié)果也是一致的，抗蝕性元素Cr主要分布在晶內(nèi)，而降低合金鈍化性能的元素Cu主要分布在枝晶間。

3　結(jié)論

（1）樹枝晶組織為合金AlFeCuCrNi Vx的主要組織形貌，添加適量的V元素，可以細化合金組織，同時使一次枝晶的軸向性增強，當V的含量過量達到x≥1.0以上時，合金組織開始粗化，晶內(nèi)由兩相共晶轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗嘟M織；

（2）合金AlFeCuCrNiVx的相結(jié)構(gòu)組成比較簡單，V元素主要促進合金非晶相及BCC相的形成，合金中各相的晶格常數(shù)得到明顯提高；

（3）合金系A(chǔ)lFeCuCrNiVx具有鈍化現(xiàn)象，主要為晶間腐蝕和孔蝕，當V含量較低x≤0.2時，合金腐蝕性提高，當x≥0.2時，腐蝕性反而降低。

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Effect of Element V on Microstructure and Properties of AlFeCuCrNi Alloy

DUAN Youquan1，LIU Zhenzhen2，SONG Chi2，LIU Liang2
（1.Bulldozer Division，Shantui Construction Nachinery Ltd，Jining 272000；2.Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266510）

There are different effects of different alloying elements on the high entropy alloy microstructure and properties，and select appropriate alloy elements can make high entropy alloy with higher strength and hardness and have resistance to high temperature oxidation and corrosion resistance and other properties.In this paper，by using the vacuum melting technique to investigate the effects of V element on Microstructure and properties of alloy AlFeCuCrNi，the study found that the alloy AlFeCuCrNiVx dendritic structure and the amount of V can refine the structure of alloys and enhance the axial of a dendrite and improve the alloy corrosion resistance.

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