高熵合金 - 图文(5)

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第四章 实验结果与分析

目前，制备高熵合金以提高塑性为主。前期的研究表明，合金中增加Ti、Al等大原子半径的元素有助于提高合金强度和硬度，而增加Ni、Co等元素含量，可提高其塑性。本章主要是采用机械合金化法制备高熵合金，设计合金成分及对应的复合材料，提高Ni、Co元素摩尔含量，分别为： Al0.4FeCr Co1.5 Ni Ti0.3。并用XRD分析合金相的演变过程。SPS烧结是等离子体场活化能的利用，热能和机械能的致密化过程的产品。SPS烧结是等离子体场活化能的利用，热能和机械能的致密化过程的产品。，使得热压材料进一步致密化。本章主要是采用SPS法制备Al0.4FeCrCo1.5NiTi0.3高熵合金，并对该材料的的微观组织，合金成分以及力学性能进行分析。

4.1 粉体XRD分析

如图4.1所示是Al0.4FeCrNiCo1.5Ti0.3高熵合金材料不同球磨时间的XRD衍射图谱，从图中可以看出：未球磨的合金粉体各元素衍射峰明显，以元素混合物为主；球磨开始后到球磨10h，各个元素的元素衍射峰就消失了，此时明显的面心立方fcc和体心立方bcc固溶体峰出现，说明合金混合粉体在高能球磨作用下发生了机械合金化，合金化的进行由于高能球磨过程中的能量得到了促进，形成简单固溶体相，即具有fcc和bcc结构的两相混合的高熵合金粉体；随着球磨时间的不断延长，20h和30h的合金相和10h的衍射图相比并没有发生太过明显的变化，这个过程说明10h内高熵合金的合金化过程就已经结束，延长球磨时间主要是为了达到细化粉体粒径的目的；当球磨时间在延长至50h，fcc和bcc两相峰就明显的显现出来，并且宽度变得稍宽，这就说明粉体的细化是十分明显的。

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图4.1 粉体经处理后的XRD衍射图谱

以上结果表明，经过机械合金化的高熵合金粉体，形成了以面心立方FCC和体心立方BCC的简单固溶体结构合金为金属基体。

4.2 SPS成型XRD分析

图4.2是Al0.4FeCrCo1.5NiTi0.3高熵合金SPS烧结后的XRD衍射图谱，可以发现经SPS烧结的Al0.4FeCrCo1.5NiTi0.3高熵合金以简单固溶体结构为主，其中包括面心立方FCC固溶体和体心立方BCC固溶体。与球磨50h的Al0.4FeCrCo1.5NiTi0.3高熵合金粉体XRD相比，从图中可以看出，SPS烧结后，Al0.4FeCrCoNi1.2Ti0.3高熵合金基复合材料的相与图4-2相比较，未发生明显的改变，还是以三氧化二铝、FCC面心立方为主，但是，BCC相在SPS烧结后消失。主要原因是在SPS烧结过程中，体心立方的BCC相转化成了面心立方FCC相，也就是说，在机械合金化过程中，以铝元素、钛元素为代表的易于形成体心立方的BCC相，经过了SPS烧结，BCC相晶体阵点上及立方中心点的原子发生转变，演化成了面心立方结构相。

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1600Intensity (cps)1200F(111)800F(200)F(220)4000204060801002θ (degree)

图4.2 Al0.4FeCrNiCo1.5Ti0.3高熵合金烧结后的XRD衍射图谱

4.3 Al0.4FeCrNiCo1.5Ti0.3组织性能

4.3.1 Al0.4FeCr Co1.5 Ni Ti0.3的微观组织

采用SPS制备的Al0.4FeCrNiCo1.5Ti0.3高熵合金，经过打磨、细磨并采用王水腐蚀液（浓硝酸：浓盐酸：水为1:3:1）腐蚀20s后进行SEM分析。图4.4、4.5、4.6、4.7为SEM照片。从图中可以看出采用机械合金化+SPS制备的Al0.4FeCrNiCo1.5 Ti0.3高熵合金非常致密。采用阿基米德排水法测试其密度为理论密度的99.35%，接近理论密度。由高倍放大照片可以看出，合金有大约三种相的存在，一种呈浅灰色，一种为灰色，另外一种是黑色，三种相分布相对均匀。SEM不能确定三种相的具体结构。从微区放大到80000倍图上来看，如图4-7，SPS制备的Al0.4FeCrNiCo1.5Ti0.3高熵合金中大量存在着远小于1微米的晶体，尺寸估算应该在100-200nm，因此，可以判断经SPS烧结后，晶粒基本保持了机械合金化得到的纳米高熵合金的特征，无晶体长大的迹象。

从图中可以看出，采用机械合金化+放电等离子烧结技术制备的Al0.4FeCrCo1.5NiTi0.3高熵合金材料是非常致密的。结合高熵合金材料粉体、SPS烧结的XRD、SEM，分析其原因：由于面心立方结构是属于封闭的晶体体系，一旦形成了FCC相，其相对饱和的原子结构很难融入其他的原子；相对而言，体心立方的BCC晶体是开放式的晶体结构，其原子面更容易接受其他原子，因此，原子半径较小的Fe、Cr等元素在有足够的能量作用之下可进入到BCC

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晶体结构，进而引起BCC晶体的结构重排，最终结果是BCC相减少或消失，取而代之的是FCC相或其他新相（σ相），原来的原子半径较大的Al等原子进入到FCC晶体结构，引起晶格畸变，造成畸变能的储存；经SPS高能烧结，在等离子体场、电场活化及应力场和热场的作用下，有足够的能量造成BCC相的结构重排，因此，在SPS的烧结过程后，BCC相消失。

图4.4 放大10 000倍

图4.5 放大20 000倍

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图4.6放大50 000倍

图4.7 放大80 000倍

4.3.2 Al0.4FeCrNiCo1.5Ti0.3的EDS分析

4.8（a，b）是Al0.4FeCrNiCo1.5Ti0.3高熵合金的EDS的分析结果。 20

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