微波烧结含硼含稀土高熵合金的微观组织和力/磁性能研究

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高熵合金是一种相结构简单且性能优良的多组元合金,通过调控合金元素的种类与含量可以得到组织不同、性能各异的合金材料,还可以通过采用特定制备方法,搭配不同材料后处理工艺,得到常规制备方法无法得到的具有特殊成分、特定组织、优异性能的新材料。目前制备高熵合金的方法普遍操作复杂,合金制备成本较高,不利于高熵合金的实际应用推广。本文选取“高能球磨+冷等静压+微波烧结”的制备路线,得到一系列含硼含稀土元素的高熵合金材料。该方法操作简单且易于过程控制,在较低生产成本前提下充分利用了各阶段技术优势,所制备的合金材料性能优良,为高熵合金的未来应用提供了有益借鉴。实验利用热分析仪(DSC)测量合金的高温相结构和重量变化,借助扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、透射电镜(TEM)来观察合金的微观组织形貌和相结构,采用电子万能材料试验机与显微硬度计测试合金的压缩性能和显微硬度,并利用振动样品磁强计(VSM)测试高熵合金的磁学性能。研究结果表明“高能球磨+冷等静压+微波烧结”的制备路线可以获得致密度较高的大块高熵合金材料。从高能球磨参数优化看,适宜的真空球磨参数为:球径比m5:m10:m15=4:2:1,球料比5:1,球磨时间60h,此时合金化程度高且颗粒形貌完整,颗粒粒径≤2μm。从微波烧结参数对含硼含钕高熵合金的影响效果看,升温速率对含硼含钕高熵合金的微波烧结效果影响较大,烧结FeCoNiCrAlB0.1Nd0.05高熵合金时的适宜升温速率为30℃/min,此时析出的AlBO3有助于气体排除并提高致密度和性能;烧结FeCoNiCrCuB0.1Nd0.05高熵合金时的适宜升温速率为50℃/min,此时析出硼化物相Cr3B5数量适中并有助于强韧性提高。此外,FeCoNiCrAlB0.1Nd0.05含铝高熵合金的致密度和力学性能均低于FeCoNiCrCuB0.1Nd0.05含铜高熵合金,这是因为含铜高熵合金导热性较好,对应合金的致密度和力学性能较好。从加Y的影响效果看,合金元素Y的添加增加了FeCoNi1.5CuB基体合金的晶格畸变,FCC基底结构相的衍射峰向低角度偏移。微观组织由硼化物M3B区、高铜含量的基底FCC高熵合金区和富钇BYO3区三部分构成,随着Y含量的增高,熵焓比降低,在富钇析出相区内出现了YB12颗粒相。与FeCoNi1.5CuB相比,优化的FeCoNi1.5CuBY0.2高熵合金的显微硬度、压缩强度、屈服强度与最大压缩比分别提高了1.3%、23.1%、9.6%和47.4%,性能的提升源于加Y后的固溶强化、细晶强化和弥散强化作用。当Y加入量0.5时,过高Y量将会破坏原有高熵合金结构,抑制硼化物生长的作用也会降低,使材料的塑性和软磁性能下降。从加B的影响效果看,合金元素B的添加不利于球磨过程中晶体结构的维持,加B降低了合金液相温度,有利于高熵合金的低温快速烧结。加B增加了合金致密度,并消除了Y2O3对合金基底产生的不良效果,生成了强度略低于基底相的BYO3相。硼含量的升高伴随着FeCoNi1.5CuBxY0.2高熵合金的强度与硬度不断提升,却使软磁性能下降。硼含量为0.6摩尔比时合金内开始出现硼化物,源于熵焓比的降低。硼添加量为0.4摩尔比时合金具有最大的压缩比值35%,此时塑性最佳。超过0.4后合金压缩比下降,表明硼化物的生成不利于塑性提高。对比Y和B的影响效果后认为:B和Y的加入都使高熵合金的混合熵逐渐增加,混合焓逐渐降低,增加了合金体系的平均原子半径差,导致合金晶格畸变程度越来越大,这是合金硬度与强度增加的主要原因。有区别的是,对于加Y的FeCoNi1.5CuB高熵合金其熵焓比逐渐下降,加B的FeCoNi1.5CuY0.2高熵合金其熵焓比呈先上升后下降的趋势,表明了合金固溶化程度先增加后减小,FeCoNi1.5CuB0.2Y0.2合金具有最大固溶度,此时合金XRD衍射峰强度最高,组织结构最为致密。
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