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利用高熵合金制備新型穩定的高強納米合金
發布時間:2019-07-19 14:30:06發布者:Admin新聞種類:前沿動態

大塊金屬玻璃常為Zr和Fe基合金系統,很少有關于其他多組分合金的報道。最近研究發現:Fe-Co-Ni-Cr-B高熵合金能夠形成均勻的納米級Cr5B3團簇的非晶相。通過Mo部分替代Cr,能夠拓寬形成非晶相的硼的含量范圍。然而,之前的論文提出非晶相僅在16-31 at%的較高硼含量范圍內,具有熱穩定性,機械性能和耐腐蝕性,且沒有關于退火非晶,部分和完全晶化的研究。Fe-Co-Ni-Cr-Mo-B的HE非晶合金的結晶態,硼含量低于14 at%。低非金屬含量的新型HE非晶合金對于新結構和涂層材料的未來發展具有吸引力。然而,預期低非金屬HE非晶合金,在鑄態或甚至結晶狀態下表現出更高的飽和磁化通量密度,良好的耐腐蝕性和良好的機械性能,避免了可塑性的災難性損失。因此,本文研究了新的(Fe0.25Co0.25Ni0.25Cr0.125Mo0.125)86-89B11-14(at%)HE非晶合金的退火過程中結構變化,及其對性能的影響。

研究人員加熱誘導高熵(HE)(Fe0.25Co0.25Ni0.25Cr0.125Mo0.125)86-89B11-14非晶(am)合金結晶,開發低B含量的新結構材料。11B合金的結晶發生在三個階段:第一階段,在非晶基體形成納米級bcc晶體相;第二階段形成納米級fcc晶體相;第三階段,非晶相消失,形成bcc,fcc相和硼化物。14B合金的熱誘導過程中,除了bcc和fcc出現的順序相反,其余情況相同。在高達960K下,粒徑為5-15 nm的bcc和fcc粒徑幾乎保持不變。退火時,在第三結晶階段獲得1500-1550的超高硬度(對于無硼化物結構是前所未有的)。在低的硼含量下,新型[am bcc fcc]結構具有優異的硬化和熱穩定性,促進了超高強度合金的發展。根據bcc/fcc相和非晶基體元素組分的分配性質和程度,以及bcc和fcc晶體相的尺寸和缺陷結構來解釋結果。RT時的磁通密度因bcc的析出而增加,并且因fcc的出現而降低。慢淬火時,11B合金的出現偽多晶型結晶,這可能是多組分HE系統的特征。

(Fe0.25Co0.25Ni0.25Cr0.125Mo0.125)86-89B11-14非晶合金結晶過程中,引起了微觀結構和機械性能的變化,其具體如下:

1)11B合金的結晶出現三個階段:無定形(am)→[am’+bcc]→[am’’+bcc+fcc]→[bcc+fcc+borides],晶化溫度為775 K,900 K和1120 K。對fcc的偏好bcc隨著硼含量的增加而增加,對于14B合金,結晶階段變為:[am]→[am’+fcc]→[am’’+fcc+bcc]→[bcc+fcc+borides],晶化溫度為783 K,890 K和1074 K。

2)11B和14B合金中的第一和第二結晶階段,出現直徑~5 nm的bcc晶體和直徑為10-15 nm的fcc晶體。這些晶體直徑在高達~960 K的溫度范圍內幾乎保持不變。納米級bcc相中,沒有明顯的內部缺陷,而納米級fcc相中含有高密度的平面缺陷和孿晶邊界。

3)bcc和殘余非晶相之間存在成分分配,但除Cr之外的元素含量的分數變化很小。fcc納米晶體顯示出微小變化,除了它們富含28%的Ni和其中60%更差的Mo。結晶富集了Cr,Mo和B中的殘余非晶相,增強了其穩定性。由于分配程度有限,bcc和fcc納米相顯示出溶解度的非平衡擴展。

4)對于11B,非晶合金的維氏硬度(Hv)為~1120,隨著硼含量的增加而降低至1450的1050,這與硼的最近鄰原子距離相關,不依賴于硼含量。Hv隨著退火溫度Ta的增加而線性增加,在960 K下退火1.8 ks的納米級[am’’+bcc+fcc]相混合物達到~1520。這種超高Hv可歸因于:殘余非晶相,bcc和fcc析出物的細小尺寸和缺陷結構,沉淀物中合金組分的過飽和度和高水平的溶解應變。不含硼化物的新型三相混合物在比其他結構有效的B含量低得多的情況下獲得超高硬度。

5)11B非晶合金在室溫下是順磁性的并且隨著結晶變成鐵磁性的。隨著bcc相的沉淀,RT的飽和磁化強度迅速增加,隨后fcc相的析出略微減少,然后隨著合金成分在bcc,fcc和非晶相之間逐漸重新分布以及那些的體積分數而增加。階段也在變化。

圖1 (a)Fe0.25Co0.25Ni0.25Cr0.125Mo0.125)86-89B11-14合金的DSC曲線; (b)第一步晶化和第二步晶化溫度與B的函數關系圖

圖2 第一步退火后,11B合金的結構表征;(a)在3個放熱峰溫度下,1B合金退火1.8 ks的X射線衍射圖;在775 K下,退火1.8 ks的11B合金的明場TEM圖像(b),選擇區域電子衍射圖案(c)和HRTEM圖像(d)。

圖3 第二步退火后,11B合金的結構表征;a)在900 K下,退火1.8 ks的11B合金的明場TEM圖像(a),選區電子衍射圖(b),(111)fcc相的暗場圖像(c)和高分辨率TEM圖像(d);(e,f)11B合金中,fcc納米顆粒的平面缺陷和孿晶邊界的HRTEM圖像。

圖3 14B合金退火的結構表征

來源: F.Wang, A.Inoue, F.L.Kong, S.L.Zhu, E.Shalaan, F.Al-Marzouki, C.S.Kiminami, Yu.P.Ivanov, A.L.Greer. Formation, stability and ultrahigh strength of novel nanostructured alloys by partial crystallization of high-entropy (Fe0.25Co0.25Ni0.25Cr0.125Mo0.125) 86?89B11?14 amorphous phase, Acta Materialia, 2019, 170, 56-61.

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