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微波辅助燃烧合成FeCoNiCuAl_x高熵合金的组织与性能研究

作 者: 王腾
导 师: 孔见
学 校: 南京理工大学
专 业: 材料学
关键词: 微波辅助 燃烧合成 高熵合金 组织结构 性能 热处理
分类号: TG139
类 型: 硕士论文
年 份: 2012年
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内容摘要


高熵合金是一种新型的多组元合金,具有广阔的应用前景,研究其制备技术、相形成及转变规律、性能热处理理论等具有重要意义。本文基于高熵合金的成分设计理念,以氧化物为原料,利用铝热反应机制,采用微波辅助燃烧合成方法制备了FeCoNiCuAlx高熵合金(x=0、0.5、1、1.5、2,记为Alx),研究了一种高熵合金制备的新方法。理论计算了反应体系的绝热温度Tad,基于Miedema模型分别计算了合金体系以固溶体和金属间化合物形式存在时的Gibbs自由能,研究了FeCoNiCuAlx高熵合金的组织、结构和性能以及热处理转变规律。结果表明:反应体系具有很高的绝热温度,随着Al含量的增加,绝热温度逐渐降低,最低也达到了3201K。从热力学角度分析,由于高熵效应,合金体系倾向于以固溶体形式存在,但有可能出现Ni-Al系金属间化合物。通过微波辅助燃烧合成法制备了FeCoNiCulx高熵合金,其具有简单的固溶体结构(BCC+FCC或BCC)。随着Al含量的增加,BCC相逐渐增多,当x=2时,完全为BCC相。当x≥1时,出现有序的BCC结构。热处理后发现,五元系的Al0.5,Al1,Al1.5和Al2合金,其高温下的稳定相均为BCC相,符合一般规律,而四元系的Al0合金,FCC相为其高温下的稳定相,与钢类似。热处理过程中,相变温度随Al含量的增加而升高,All合金表现出良好的热稳定性,Al0.5,Al1.5和Al2合金中发生了有序转变,Al1.5和A12合金中出现了Al3Ni类型的斜方相。FeCoNiCuAlx高熵合金具有典型的树枝晶组织,Cu元素偏聚在枝晶间,Al1合金的枝晶内发现针状析出物,枝晶间也有细小析出物存在,随着Al含量的增加,树枝晶变得粗大,Cu元素的偏析也变得严重,针状析出物变小、球化。热处理后,合金的成分均匀性得到改善,但仍保留了树枝晶形貌。FeCoNiCuAlx高熵合金具有优良的力学性能,随着Al含量的增加,其硬度值不断升高,塑性应变量不断降低,Al1合金的压缩屈服强度和抗压强度达到峰值,随后下降。Al2合金的硬度最高,为571HV,Al1合金表现出良好的综合性能,其屈服强度、抗压强度和塑性应变量分别达到1231Mpa、1455Mpa和9.7%。700℃热处理后,Al0和Al0.5合金的硬度大幅提高,随着热处理温度的提高又出现下降,不同温度的热处理后Al1,Al1.5和Al2合金的硬度均低于铸态,但都保持在400HV以上,表现出良好的回火软化抗力,Al0,Al0.5和Al1.5合金经热处理后综合压缩性能相比铸态得到改善。

全文目录


摘要  5-6
英文摘要  6-8
目录  8-11
1 绪论  11-26
  1.1 高熵合金概述  11-12
  1.2 高熵合金的理论依据  12-14
    1.2.1 高熵合金形成的热力学  12-13
    1.2.2 高熵合金形成的动力学  13-14
  1.3 高熵合金的特性  14-17
    1.3.1 高熵合金的组织结构特性  14-16
    1.3.2 高熵合金的性能特性  16-17
  1.4 高熵合金的发展现状及应用前景  17-19
    1.4.1 高熵合金的制备技术  17-18
    1.4.2 高熵合金的发展现状  18-19
    1.4.3 高熵合金的研究方向  19
    1.4.4 高熵合金的应用前景  19
  1.5 燃烧合成  19-22
    1.5.1 燃烧合成的原理  19-20
    1.5.2 燃烧合成的特点  20-21
    1.5.3 燃烧合成的发展现状及趋势  21-22
  1.6 微波加热  22-24
    1.6.1 微波加热的原理和特点  22-23
    1.6.2 微波加热在材料制备中的应用  23-24
  1.7 微波辅助燃烧合成  24
  1.8 本课题研究内容  24-26
    1.8.1 基于微波辅助燃烧合成制备高熵合金的意义和可行性  24-25
    1.8.2 本课题研究的主要内容  25-26
2 实验方法和过程  26-30
  2.1 实验原料  26
  2.2 实验方案  26-28
  2.3 试样制备  28
  2.4 热分析及热处理  28
  2.5 组织结构分析  28-29
    2.5.1 光学金相分析  28
    2.5.2 扫描电子显微分析  28
    2.5.3 X射线衍射分析  28-29
  2.6 力学性能分析  29-30
    2.6.1 室温准静态压缩实验  29
    2.6.2 硬度试验  29-30
3 微波辅助燃烧合成FeCoNiCuAl_x高熵合金的热力学分析  30-45
  3.1 燃烧合成过程中绝热温度的计算  30-37
    3.1.1 绝热温度的意义  30
    3.1.2 绝热温度计算的理论基础  30-32
    3.1.3 绝热温度的计算  32-36
    3.1.4 绝热温度计算结果分析  36-37
  3.2 反应产物的热力学分析  37-44
    3.2.1 Miedema理论  37-38
    3.2.2 形成固溶体时Gibbs自由能的计算  38-40
    3.2.3 形成金属间化合物时Gibbs自由能的计算  40-42
    3.2.4 计算结果分析  42-44
  3.3 本章小结  44-45
4 FeCoNiCuAl_x高熵合金的制备、微观组织结构及性能  45-60
  4.1 FeCoNiCuAl_x高熵合金的制备  45-46
  4.2 FeCoNiCuAl_x高熵合金的微观结构和组织  46-56
    4.2.1 微观结构  46-48
    4.2.2 微观组织及成分分析  48-56
  4.3 FeCoNiCuAl_x高熵合金的性能  56-58
    4.3.1 硬度  56-57
    4.3.2 压缩性能  57-58
  4.4 本章小结  58-60
5 热处理对FeCoNiCuAl_x高熵合金微观组织结构及性能的影响  60-86
  5.1 FeCoNiCuAl_x高熵合金DSC分析  60-61
  5.2 热处理对FeCoNiCuAl_x高熵合金微观结构的影响  61-70
    5.2.1 热处理对Al_0合金微观结构的影响  61-62
    5.2.2 热处理对Al_(0.5)合金微观结构的影响  62-64
    5.2.3 热处理对Al_1合金微观结构的影响  64-65
    5.2.4 热处理对Al_(1.5)合金微观结构的影响  65-67
    5.2.5 热处理对Al_2合金微观结构的影响  67-68
    5.2.6 结果分析  68-70
  5.3 热处理对FeCoNiCuAl_x高熵合金微观组织的影响  70-77
    5.3.1 热处理对Al_0合金微观组织的影响  70-71
    5.3.2 热处理对Al_(0.5)合金微观组织的影响  71-72
    5.3.3 热处理对Al_1合金微观组织的影响  72-75
    5.3.4 热处理对Al_(1.5)合金微观组织的影响  75-76
    5.3.5 热处理对Al_2合金微观组织的影响  76-77
  5.4 热处理对FeCoNiCuAl_x高熵合金性能的影响  77-84
    5.4.1 热处理对Al_0合金性能的影响  77-79
    5.4.2 热处理对Al_(0.5)合金性能的影响  79-80
    5.4.3 热处理对Al_1合金性能的影响  80-82
    5.4.4 热处理对Al_(1.5)合金性能的影响  82-83
    5.4.5 热处理对Al_2合金性能的影响  83-84
  5.5 本章小结  84-86
6 结论与展望  86-88
  6.1 结论  86-87
  6.2 展望  87-88
致谢  88-89
参考文献  89-96
附录  96

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属学与热处理 > 合金学与各种性质合金 > 其他特种性质合金
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