【摘要】：難熔高熵合金主要由第四、五和六副族難熔金屬元素以等原子比或近等原子比合金化而形成的一類合金,具有高的室溫強(qiáng)度和優(yōu)異的抗高溫軟化性能,在航空航天領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。然而,難熔高熵合金通常具有室溫脆性,加工性能明顯不足;其次,難熔高熵合金中的組成元素均極易摻雜間隙原子如碳、硼、氧、氮等,雜質(zhì)含量難以控制,為制備和加工帶來(lái)較大的挑戰(zhàn);最后,鑒于其高昂的原材料成本,研發(fā)單一性能的難熔高熵合金也將很難與傳統(tǒng)金屬及合金相競(jìng)爭(zhēng)。這些問(wèn)題均極大地限制了難熔高熵合金的應(yīng)用和開(kāi)發(fā),鑒于此,本論文圍繞間隙原子對(duì)典型TaNbHfZrTi系難熔高熵合金的性能影響規(guī)律與機(jī)理展開(kāi)了研究:首先系統(tǒng)研究了構(gòu)型熵對(duì)TaNbHfZrTi系等原子比合金室溫拉伸性能的影響,發(fā)現(xiàn)該合金系的拉伸屈服強(qiáng)度隨構(gòu)型熵的增大而顯著提高。利用原子尺寸不匹配度估算了各等原子比合金的點(diǎn)陣畸變,發(fā)現(xiàn)該系合金的晶格摩擦力與其點(diǎn)陣畸變成正相關(guān)關(guān)系。通過(guò)計(jì)算該系合金的位錯(cuò)核心寬度,發(fā)現(xiàn)難熔中熵和高熵合金的約化位錯(cuò)核心寬度(～0.95b,b為伯氏矢量)顯著低于純Nb和二元NbTi的約化位錯(cuò)核心寬度(1.14b和1.08b),說(shuō)明難熔高熵合金高的屈服強(qiáng)度來(lái)源于其大的晶格摩擦力。同時(shí)發(fā)現(xiàn),TiZrHfNb四元難熔高熵合金具有較為優(yōu)異的室溫拉伸性能。其次,系統(tǒng)研究了間隙原子碳、硼、氧、氮對(duì)TiZrHfNb難熔高熵合金顯微組織及室溫拉伸性能的影響,發(fā)現(xiàn)0.5 at.%碳或硼的添加,合金基體中即會(huì)出現(xiàn)脆性的陶瓷相,從而顯著降低合金的拉伸塑性。但是,TiZrHfNb高熵合金中氧和氮的溶解度超過(guò)3.0 at.%,且隨著氧或氮含量的增加,其拉伸屈服強(qiáng)度也大幅提高。尤其值得一提的是,添加2.0 at.%氧時(shí),其拉伸塑性從14.21%±1.09%提高到了27.66%±1.13%。此外,本論文針對(duì)氧在TiZrHfNb難熔高熵合金的異常間隙強(qiáng)韌化現(xiàn)象展開(kāi)了原子尺度的變形機(jī)理研究,發(fā)現(xiàn)添加2.0 at.%氧時(shí),合金基體中形成了有序氧復(fù)合體結(jié)構(gòu),這是一種介于常規(guī)隨機(jī)間隙原子和氧化物陶瓷相之間的新的間隙原子存在狀態(tài)。有序氧復(fù)合體可釘扎位錯(cuò),促使該合金的位錯(cuò)滑移方式從易于產(chǎn)生應(yīng)力集中的平面滑移轉(zhuǎn)變?yōu)榭纱龠M(jìn)變形均勻性的波浪滑移轉(zhuǎn)變,提高了位錯(cuò)的形核和增殖速率,從而提高了合金的加工硬化能力和拉伸塑性。最后,本論文提出了利用“熵穩(wěn)定工程”設(shè)計(jì)Snoek型間隙固溶高溫高阻尼合金的設(shè)計(jì)思路,在一系列難熔高熵合金中通過(guò)添加2.0 at.%氧或氮,成功設(shè)計(jì)出多種Snoek型高阻尼難熔高熵合金,這一新型的高阻尼合金不僅具有高的高溫阻尼容量,還具有高的拉伸屈服強(qiáng)度和良好的拉伸塑性,展現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能和阻尼性能,拓寬了難熔高熵合金的研究和應(yīng)用范疇。
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TG139;V252
【圖文】：

逡逑化，如圖１－ｌａ所示。從圖中可以看出，三元合金的混合熵Ａ５ｍ＆在三種組元逡逑的原子百分含量相同時(shí)達(dá)到最大值１．１／？。圖１－ｌｂ為等原子比多主元隨機(jī)固溶逡逑體混合熵隨主元數(shù)的變化［２５］，可以發(fā)現(xiàn)，隨著主元數(shù)增加，合金混合熵逡逑ＡＳｍ＆也隨之增加。也就是說(shuō)，對(duì)于多組元合金體系，各組元的原子百分含量逡逑越接近，組元數(shù)越多，其混合熵ＡＳｍｉ；ｃ就越大。同時(shí)，從圖Ｍｂ可以看出，當(dāng)逡逑合金的組元數(shù)達(dá)到五種或五種以上時(shí)，其混合熵已達(dá)到相對(duì)較高的數(shù)值；而逡逑當(dāng)組元數(shù)增加到超過(guò)十三種時(shí)，合金系統(tǒng)的混合熵／＾？＾趨于飽和，繼續(xù)增加逡逑組元數(shù)所帶來(lái)的混合熵的增加己不再明顯，因而一般將高熵合金的組成元素逡逑設(shè)計(jì)在五到十三種之間。逡逑（ａ）邐ｆ１Ｒ邋｜（ｂ）§２５｜逡逑ｉ邋ｊＢＩｉ：逡逑ｗ邋．邐ｒ邋ｒ邋—ｔ邋＾邋？邋ｒ邋ｒ邋ｒ￣￣0邐０邋邐１邋１邋－Ｊ邋１邋１邋１邋逡逑１邐０９邋0？邋０７邋0？邋ｏｓ邋０４邋0ｉ邋０３邐０１邋0邐１邐３邐５邐７邐９邐１１邐１３邐１５逡逑Ａ逡逑Ｎｕｍｂｅｒ邋ｏｆ邋ｅｌｅｍｅｎｔｓ邋ｆｏｒ邋ｅｑｕｉｍｏｌａｒ邋ａｌｌｏｙｓ逡逑圖１－１合金混合熵隨合金成分的變化。逡逑（ａ）三元合金體系的混合熵ＡＳ？＾隨合金成分的變化（ｂ）完全無(wú)序的等原子比多逡逑主元隨機(jī)固溶體混合熵隨組元數(shù)的增加而增加Ｉ氣逡逑根據(jù)經(jīng)典的Ｇｉｂｂｓ相律［２６］，組元數(shù)為ｎ的合金體系，其平衡相數(shù)目為逡逑ｐ邋＝邋ｎ邋＋邋１邐（１－４）逡逑其中ｐ為系統(tǒng)的相數(shù)。在非平衡凝固時(shí)

逡逑化，如圖１－ｌａ所示。從圖中可以看出，三元合金的混合熵Ａ５ｍ＆在三種組元逡逑的原子百分含量相同時(shí)達(dá)到最大值１．１／？。圖１－ｌｂ為等原子比多主元隨機(jī)固溶逡逑體混合熵隨主元數(shù)的變化［２５］，可以發(fā)現(xiàn)，隨著主元數(shù)增加，合金混合熵逡逑ＡＳｍ＆也隨之增加。也就是說(shuō)，對(duì)于多組元合金體系，各組元的原子百分含量逡逑越接近，組元數(shù)越多，其混合熵ＡＳｍｉ；ｃ就越大。同時(shí)，從圖Ｍｂ可以看出，當(dāng)逡逑合金的組元數(shù)達(dá)到五種或五種以上時(shí)，其混合熵已達(dá)到相對(duì)較高的數(shù)值；而逡逑當(dāng)組元數(shù)增加到超過(guò)十三種時(shí)，合金系統(tǒng)的混合熵／＾？＾趨于飽和，繼續(xù)增加逡逑組元數(shù)所帶來(lái)的混合熵的增加己不再明顯，因而一般將高熵合金的組成元素逡逑設(shè)計(jì)在五到十三種之間。逡逑（ａ）邐ｆ１Ｒ邋｜（ｂ）§２５｜逡逑ｉ邋ｊＢＩｉ：逡逑ｗ邋．邐ｒ邋ｒ邋—ｔ邋＾邋？邋ｒ邋ｒ邋ｒ￣￣0邐０邋邐１邋１邋－Ｊ邋１邋１邋１邋逡逑１邐０９邋0？邋０７邋0？邋ｏｓ邋０４邋0ｉ邋０３邐０１邋0邐１邐３邐５邐７邐９邐１１邐１３邐１５逡逑Ａ逡逑Ｎｕｍｂｅｒ邋ｏｆ邋ｅｌｅｍｅｎｔｓ邋ｆｏｒ邋ｅｑｕｉｍｏｌａｒ邋ａｌｌｏｙｓ逡逑圖１－１合金混合熵隨合金成分的變化。逡逑（ａ）三元合金體系的混合熵ＡＳ？＾隨合金成分的變化（ｂ）完全無(wú)序的等原子比多逡逑主元隨機(jī)固溶體混合熵隨組元數(shù)的增加而增加Ｉ氣逡逑根據(jù)經(jīng)典的Ｇｉｂｂｓ相律［２６］，組元數(shù)為ｎ的合金體系，其平衡相數(shù)目為逡逑ｐ邋＝邋ｎ邋＋邋１邐（１－４）逡逑其中ｐ為系統(tǒng)的相數(shù)。在非平衡凝固時(shí)

在從原子尺度上理解高熵合金復(fù)雜的化學(xué)短程有序特點(diǎn)Ｚｈａｎｇ等［３７］利逡逑用擴(kuò)展Ｘ射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（ＥＸＡＦＳ）和中子散射研究了邋ＮｉＣｏＣｒ合金的局逡逑域結(jié)構(gòu)并驗(yàn)證了化學(xué)短程有序的存在。如圖１－３所示，Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ的ＥＸＡＦＳ逡逑譜線中，三種元素的第一峰的位置略有差異，說(shuō)明Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ三種原子與周逡逑圍原子的局域鍵長(zhǎng)并不相同。進(jìn)一步的理論計(jì)算表明，Ｃｒ更傾向于與Ｃｏ和逡逑Ｎｉ原子形成鍵合，從而證明了邋ＮｉＣｏＣｒ等原子比合金并不是完全無(wú)序的，其逡逑存在著化學(xué)短程有序。Ｍａ等［３８］也對(duì)Ａ１丨２邋５Ｎｉ２５Ｃｏ２５ＦｅＩ８邋７５Ｃｒ丨８．７５和逡逑Ａｌ１２．５Ｎｉ１７５Ｃｏ１７．５Ｆｅ３５Ｃｎ７５兩種高熵合金進(jìn)行了原子尺度的精細(xì)結(jié)構(gòu)表征，也逡逑發(fā)現(xiàn)此兩種高熵合金也存在化學(xué)短程有序。逡逑－６－逡逑

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本文編號(hào)：2777021