快速凝固高熵合金的微结构控制及其形成机理

Based on equimolar ratios and high entropy of mixing, high-entropy alloys have been designed, which possess simple crystal structure and ease of nano-precipitation. This makes high-entropy alloys have excellent properties and great potentials in many applications. In this project, using rapid solidification technique, elements Co, Cr, Cu, Fe, Mn and Ni are selected to prepare undercooled high-entropy alloys. By means of components design and solidification paramater (undercooling) control, the microstructure evolution behavior of high-entropy alloys will be investigated as functions of component and undercooling. Afterthat, quantitative relation between microstructure and intersolubility, differece of atomic radius，electronegativity and entropy of mixing will be established, as a result, the theoritical principle of component design of the high-entropy alloys will be put forward. Additionally, a microstructure and mechanical property selection map of high-entropy alloys will be established as parameters of alloys component and undercooling. On this basis, applying seeds trigger the controllable preparation of the high-entropy alloys with different microstructures can be realized. The interaction of elements which constitute the high-entropy alloys will be explained, and the thermodynamics and kinetics of microstructure formation will be disclosed. The heat treatment experiment will be carried out to study the stability of the microstructure of high-entropy alloys. The project is aimed at investigating the composition design of high-entropy alloys, the artificial control and formation machanism of the microstructure of high-entropy alloys, and providing scientific basis for engineering application of high-entropy alloys.

基于等摩尔比、高混合熵的设计理念，高熵合金具有微结构简单化和纳米化的特点，因而具有优异的性能和广阔的应用前景。本项目以Co、Cr、Cu、Fe、Mn和Ni为主要组成元素，采用深过冷快速凝固技术，制备非平衡凝固高熵合金。通过调整成分配比和控制凝固参量（过冷度），研究凝固组织随合金成分和过冷度的演变规律，明确元素间互溶性、原子半径差、电负性和混合熵等参量与微结构之间的量化关系，提出高熵合金成分设计的理论准则；建立以成分和过冷度为参量的凝固组织和力学性能选择图；借助籽晶触发实验以实现不同微结构高熵合金的可控制备；解析高熵合金各组成元素间的相互作用，揭示凝固组织形成的热力学和动力学机制；设计不同的热处理工艺以研究高熵合金微结构的稳定性。通过上述研究，为高熵合金提供成分设计的依据，实现对高熵合金微观结构的人为控制，揭示高熵合金的组织形成机理，为指导高熵合金的工程应用提供理论依据。

本项目重点研究了CoCrCuFeNi系高熵合金随成分变化凝固组织的演变规律。采用深过冷快速凝固技术, 使CoCrCuFeNi系高熵合金实现了非平衡凝固。通过调整成分配比和控制凝固参量(过冷度),研究了CoCrCuFeNi系合金凝固组织随合金成分和过冷度的演变规律, CoCrCuFeNi系合金凝固组织由典型的树枝晶和枝晶间纳米组织组成。CoCrCuFeNi系高熵合金具有相分离倾向，CoCrCuFe0.5Ni和CoCrCuFeNi0.5高熵合金在常规凝固条件下发生了相分离，其它成分CoCrCuFeNi在一定过冷度均发生了不同程度的相分离。发生相分离的临界过冷度与合金中Cu元素的含量密切相关。计算表明，CoCrCuFeNi系合金的混合焓均为正值，这是该系合金具有相分离倾向的主要原因。.在CoCrCuFeNi系高熵合金中加入与Cu元素混合焓较大的Mo元素，研究多元高熵合金的液相分离现象。CrCuxFeMoyNi (x, y=0.5, 1.0) 和CoCrCuxFeMoNi (x≥0.5)高熵合金发生了相分离现象。加入Mo元素后合金组成相包括FCC、BCC和/或拓扑密排相。分析了混合焓、原子半径差、电负性差、价电子浓度和混合熵等参量对CoCrCuFeMoNi系高熵合金组织和相结构的影响，提出了CoCrCuFeMoNi系高熵合金发生相分离的判据，即当该系合金的混合焓为正值时CoCrCuFeMoNi系高熵合金会发生相分离，而且体系的混合焓越高，则其相分离现象越严重。. 针对FCC结构CoCrCuFeNi系合金具有塑性高强度低的特点，加入原子半径与Co、Cr、Cu、Fe和Ni等元素相差较大，并且有较低VEC的Mn、Si、Ti和V元素，使晶格畸变程度增加并且生成一些硬质化合物相来提高合金的强度。通过调整元素加入量，获得较佳的强塑性。多种相结构的存在有利于发挥多相的性能优势，其中FCC+BCC结构CoCrCu0.1FeMoNi高熵合金获得了3208Mpa的强度，同时塑性达到51.6%; FCC+BCC+拓扑密排相的CoCrCu0.1Fe0.15Mo1.5NiMnx合金具有较好的耐磨性能。但拓扑密排相的存在使合金强度硬度同时提高，但塑性降低。如何实现多相结构体积分数的调控，达到合金性能的最佳匹配，是下一步将要解决的问题。