粉末冶金高熵合金难熔金属碳化物沉淀析出及强化机制研究

Powder metallurgy has advantages of controlling compositions and homogeneous microstructures in the processing of alloys of complex compositional systems. This project will prepare fully dense and fine-grained FeCoCrNiAl based high entropy alloy (HEA) through prealloyed gas atomization and canned hot extrusion, and then study the effects of interstitial elements (C and O), and refractory metals (Nb, W, Ta and V) on the microstructures and mechanical properties. Main topics include: plastic flow behavior and the elimination of primary particle boundary and porosity of HEA powder during hot extrusion; the effects of interstitial solid solution on the microstructure and mechanical properties; the effects of refractory metals on the precipitation of secondary phases and mechanical properties; the precipitation of carbides and other dispersive particles after the additions of both the interstitial and the refractory elements; the strengthening and toughening mechanisms of HEA under the condition of multi-scale and multi-phase; the high temperature stability, dispersion strengthening and fine-grain strengthening of HEA. Through multiple strengthening mechanisms, the project will try to design 1 or 2 HEAs with high wear resistance and room temperature toughness, and provide a new technique for processing HEA for applications in tooling, molding and wear-resistant parts.

粉末冶金技术在复杂合金成分体系制备方面具有成分可控和组织均匀的优势。项目以FeCoCrNiAl高熵合金为基体,通过预合金粉末雾化和包套热挤压方法制备全致密、细晶块体，系统研究微量间隙元素（O和C）、难熔金属元素（Nb,W,Ta,V等）添加对材料组织和力学性能的影响。主要内容包括：高熵合金粉末在高温包套热挤压过程中的塑性流动行为，以及热变形中原始颗粒边界和孔隙形貌的演化机制；固溶条件下间隙元素对合金组织和室/高温力学性能的影响；难熔金属元素对第二相析出和性能的影响；多种元素复合添加后碳化物以及其它弥散相在高熵合金中的析出机制；多尺度、多相条件下高熵合金的强韧化机理；高熵合金的结构热稳定性、高温硬度和耐磨损性能等。通过以上研究，力图设计出1-2种通过固溶强化、弥散强化和细晶强化作用，既具有高的耐磨损性能，又具有较好的室温韧性的粉末冶金高熵合金，同时提供工模具和耐磨零部件用高熵合金制备技术原型。

高熵合金具有成分复杂但结构简单、力学性能优异的特点，粉末冶金在制备复杂成分合金方面具有独特优势。本项目针对粉末冶金高熵合金，开展了气雾化高熵合金粉末的致密化行为研究，系统研究了间隙元素、难熔元素的添加对高熵合金第二相析出及力学性能的影响机理。阐明了合金化元素在微结构演化过程中的作用，制备了可望用于工模具的高强韧、高耐磨的粉末冶金高熵合金。所取得的创新性成果如下：. （1）通过高熵合金粉末热挤压，实现了全致密、组织均匀细小的FeCoCrNi高熵合金块体制备，所制得高熵合金较常规铸造合金屈服强度提升70%，同时室温塑性可超过50%。. （2）明确了间隙元素C在快速凝固FeCoCrNi高熵合金中主要以间隙固溶形式存在，而在热机械固结或时效高熵合金中以M23C6碳化物形式析出。添加C元素引起显著固溶强化与第二相强化，使高熵合金强度提升明显。. （3）提出了添加间隙元素N在增材制造FeCoCrNi高熵合金中实现粗/细晶异构组织，获得了强度与塑性协同提升。. （4）基于中子衍射技术，揭示了FeCoCrNiMo0.2高熵合金变形机制，阐明了Mo元素添加引起硬脆σ相析出，抑制孪晶变形，使材料强度增加而塑性下降。. （5）发明了一种含Ta元素的FeCoCrNi系共晶高熵合金，由FCC相、Laves相及纳米L12相组成。所研制的粉末冶金FeCoCrNiAlTa高熵合金室温韧性良好，热稳定性高，在800℃高温下屈服强度高达800MPa。. （6）制备了耐磨系列难熔碳化物增强FeCoCrNi高熵合金复合材料，揭示了碳化物引起摩擦机制从粘着磨损向磨粒磨损的转变机制，形成了高强韧、高耐磨粉末冶金高熵合金制备技术原型。. 以上发现对于理解合金化元素在高熵合金微结构演化、变形机制及强韧化等方面的作用具有重要科学意义，对于指导高熵合金成分设计及性能优化方面具有重要理论价值。通过以上研究，在Acta Materialia等国内外期刊发表论文26篇，申请国家发明专利8项，授权7项，参加国内外学术会议并作大会/特邀报告10次，培养毕业博士研究生3名、硕士研究生2名。