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材料頂刊《Scripta Materialia》：通過超聲細(xì)化共晶結(jié)構(gòu)增強(qiáng)高熵鐵合金的強(qiáng)度和延展性

2022-12-05 15:09:10 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

AlCoCrFeNi_2.1、Al_0.9CoFeNi₂和Al_0.7CoCrFeNi等具有共晶結(jié)構(gòu)的高熵合金，因其優(yōu)異的力學(xué)性能而受到廣泛關(guān)注。為了進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)和性能，采用了多種方法和途徑。例如，Wu等人采用多次冷軋退火，使Ni₃₀Co₃₀Cr₁₀Fe₁₀Al₁₈W₂合金充分釋放應(yīng)變硬化能力，表現(xiàn)出優(yōu)異的拉伸性能。Wani等人量身定制了AlCoCrFeNi_2.1的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過冷軋制造了線路缺陷，顯著增強(qiáng)了強(qiáng)度。然而，這些策略都是基于固態(tài)加工，很少有關(guān)注液固之間的轉(zhuǎn)變來調(diào)節(jié)微觀結(jié)構(gòu)和提高力學(xué)性能的報(bào)道。這極大地限制了高熵合金鑄件的發(fā)展和應(yīng)用潛力。

超聲凝固作為一種高效、環(huán)保的加工技術(shù)，有著悠久的歷史，已廣泛應(yīng)用于鋁合金和鎂合金的科研和工業(yè)生產(chǎn)中。當(dāng)超聲波在合金熔體中傳播時(shí)，會(huì)引起空化效應(yīng)、聲流和機(jī)械振動(dòng)，從而細(xì)化合金的晶粒尺寸，調(diào)節(jié)合金的形態(tài)并提高合金的物理性能。已有研究表明，超聲波顯著改變了Sn-Pb和Al-Si共晶合金的成核和生長(zhǎng)特性，也可以合理推測(cè)超聲可以調(diào)節(jié)高熵合金的共晶微觀結(jié)構(gòu)。然而，由于高熵合金的液相線溫度較高，超聲波凝固的研究很少，給其應(yīng)用帶來了技術(shù)障礙。

在這項(xiàng)工作中，西北工業(yè)大學(xué)王建元教授團(tuán)隊(duì)選擇具有共晶結(jié)構(gòu)的高熵FeCoNi₂Al_0.9合金作為研究對(duì)象，在這種液體溫度高達(dá)1673 K的合金上成功應(yīng)用了不同振幅的20 kHz超聲，詳細(xì)研究了在不同超聲條件下共晶的演變和力學(xué)性能。討論了超聲場(chǎng)作用下的動(dòng)態(tài)凝固機(jī)理。相關(guān)研究成果以題“Strength and ductility enhancement of high-entropy FeCoNi₂Al_0.9 alloy by ultrasonically refining eutectic structures”發(fā)表在Scripta Materialia上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646222006492

圖1

高熵FeCoNi₂Al_0.9合金的熱分析與相組成

(a) DSC曲線;(b) XRD譜圖;(c)動(dòng)態(tài)凝固時(shí)間與超聲振幅的關(guān)系;(d)振幅為13 μm的超聲凝固聲強(qiáng)變化。

圖2

不同凝固條件下高熵FeCoNi₂Al_0.9合金的微觀結(jié)構(gòu)特征

(a)靜態(tài)凝固過程中共晶結(jié)構(gòu)的BSE圖像;(b) 13 μm振幅超聲場(chǎng)生長(zhǎng)的共晶結(jié)構(gòu)的BSE圖像;(c)共晶結(jié)構(gòu)特征尺寸與超聲振幅的關(guān)系;(d)超聲振幅為13 μm的靜態(tài)試樣和超聲試樣中α和γ相的晶格常數(shù)。

圖3

不同凝固條件下高熵FeCoNi₂Al_0.9合金的晶體方位

(a)靜態(tài)凝固的EBSD相位映射;(b)靜態(tài)凝固合金中共晶界面的極點(diǎn)圖和取向偏差分布;

圖4

高熵FeCoNi₂Al_0.9合金共晶結(jié)構(gòu)中的溶質(zhì)分布剖面

(a)靜態(tài)凝固合金中的線掃描;(b)動(dòng)態(tài)凝固合金在13 μm振幅超聲場(chǎng)中的線掃描;(c)靜態(tài)和超聲凝固后的最大和最小濃度;(d)靜態(tài)凝固和超聲凝固合金的偏析度。

圖5

靜態(tài)和超聲條件下凝固的高熵FeCoNi₂Al_0.9合金的力學(xué)性能

(a)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線;(b)屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度和延伸率隨超聲振幅變化而變化的規(guī)律;(c)本研究和文獻(xiàn)中共晶結(jié)構(gòu)鑄造高熵合金的屈服強(qiáng)度-總伸長(zhǎng)率圖;(d)該合金與其他具有共晶結(jié)構(gòu)的靜態(tài)高熵合金的極限抗拉強(qiáng)度比較。

綜上所述，將功率超聲應(yīng)用于高熵FeCoNi₂Al_0.9合金的凝固過程中。凝固組織由L1₂和B2共晶相組成，其晶格常數(shù)在超聲作用下明顯增加。隨著超聲幅值的增大，共晶結(jié)構(gòu)隨排列層狀共晶體積分?jǐn)?shù)的增加而顯著細(xì)化，共晶相間的相干度顯著增強(qiáng)。超聲還促進(jìn)了共晶生長(zhǎng)中溶質(zhì)的擴(kuò)散，抑制了L1₂和B2的微偏析穩(wěn)態(tài)空化和聲流是調(diào)節(jié)共晶組織演變的主要因素。該合金的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度和總伸長(zhǎng)率同時(shí)提高，其最大值分別提高了23%、21%和19%。結(jié)果表明，超聲凝固是改善共晶組織高熵合金力學(xué)性能的有效途徑。

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