CuZr等原子比合金

Al、Ti、Ni添加制备CuZr等原子比合金及结构和性能报告人：**-导师：汇报内容研究背景及意义1高熵合金的特性与制备方法2我的工作4文献调研31研究背景及意义高熵合金的定义定义：具有5种或者5种以上合金元素以等摩尔比或近等摩尔比混合形成的固溶体合金。判断：3(两种元素以等摩尔混合)当n=2时，ΔS=0.693R，当n=5时，ΔS=1.61R当n=6时，ΔS=1.79R当n=9时，ΔS=2.20R高熵的定义标准1.原子半径差控制在15%左右；2.每一种主元的含量需要＞5%，小于35%；3.主元数目应大于5，最好不超过131研究背景及意义高熵合金的分类按熵值对高熵合金进行分类可以分为：低熵合金、中熵合金、和高熵合金。分类的示意图如下图所示：40.69R△S1.61R2高熵合金的特性与制备方法高熵效应和迟滞扩散效应高熵效应：高熵合金中元素种类较多，因此合金系统具有较高的熵值，而金属间化合物的相是有序的，从而其混合熵较低，因此金属间化合物的形成得到抑制而倾向于产生结构简单的晶体或者非晶相，从而产生了高熵效应。迟滞扩散效应：应近几年，Yeh等人研宄发现HEAs与不锈钢和纯金属相比，其元素的扩散速率最低，这导致HEAs产生迟滞扩散效应。这种效应导致晶体形核容易但是长大难，因此通常用于解释HEAs中纳米尺寸析出物的产生。52高熵合金的特性与制备方法晶格畸变效应和鸡尾酒效应晶格畸变效应：HEAs是多组元等原子比组成，因此组成元素占据晶格位置的比例是相等的，但是每种元素的原子半径差值较大，将会导致严重的晶格畸变，这将导致合金的晶格畸变能增加，从而导致固溶强化作用加强。这往往导致HEAs具有较强的强度与硬度等优异的性能。鸡尾酒效应：鸡尾酒效应表明了通过改变合金的组成成分可以改变合金相应的性能。在HEAs中，添加一种特定的元素可以获得某种特定的优异的性能，然而这种性能是由单一元素不能获得的。62高熵合金的特性与制备方法铸造法铸造法：制备高熵合金最常用的铸造法是真空熔炼法。7等离子熔覆法粉末冶金法等离子熔覆法：利用高能的电子束将基体上的高熵合金熔化，形成熔覆层。粉末冶金：利用压制或者烧结把机械合金化的粉末制备成试样。制备方法：3文献调研文献一机械合金化法和放电等离子烧结制备块体CuZrAl和CuZrAlTi中熵合金结构和性能8文献二机械合金化法和放电等离子烧结制备块体CuZr等原子比合金和CuZrAlTiNi高熵合金结构和性能文献的研究目的和意义选择CuZr为原型、设计含CuZr等原子比合金为研究对象，添加非晶合金常用的Al、Ti、Ni元素，利用MA等原子比合金粉末，研究了不同组元等原子比合金粉末的微观结构和热学性能。探索SPS烧结工艺，利用SPS烧结大块等原子比合金。同时对块体合金的相组成，微观组织，硬度及耐腐蚀性进行较为系统的研究。文献研究的方案基本研究路线耐蚀性SEM极化曲线机械合金化SPS烧结硬度XRD（物相分析）DSC（差热分析）SEM（形貌观察）XRD（物相分析）SEM（形貌观察）合金粉末大块合金机械合金化CuZrAl和CuZrAlTi等原子比合金粉末XRD分析11Fig.1.XRDpatternsofas-milledE3(a)and(b)powdersafterdifferentMAtime.•球磨10h,Al和Ti元素均完全固溶，出现富Zr-hcp和富Ti-hcp类型的固溶体附峰；•球磨20h后，只有非晶相及富Zr-hcp固溶体存在。•球磨30h后出现完全的非晶相。WenjuanGeXutingLi,PengchaoQiao,JianweiDu,ShuaiXu,YanWang.MicrostructureandpropertiesofCuZrAlandCuZrAlTimediumentropyalloyspreparedbymechanicalalloyingandsparkplasmasintering[J].JournalofIronandSteelResearch,International,2017,24:448-457.•球磨10h,有富Zr-hcp类的固溶体相。•球磨到120h，一个完全的非晶相产生，且到200h非晶相依然稳定的存在。机械合金化CuZrAl和CuZrAlTi等原子比合金粉末DSC和形貌分析12Tx(℃)Tp(℃)Tm(℃)烧结温度（℃）E369271612797001050E468270212786901100Fig.2.DSCtracesofas-milledE3andE4alloysat20K/minheatingrate(a,b),andFESEMimagesandEDSspectrum(inset)ofas-milledE3(c)andE4,(d)powdersafter200hmilling.Table1Thermalparametersofas-milledE3andE4powdersafter200hmilling.两种合金粉末均出现了放热峰，表明合金发生晶化行为，这也证明了非晶相的存在。球磨的粉末呈现出颗粒状，并且具有均匀分布的尺寸WenjuanGeXutingLi,PengchaoQiao,JianweiDu,ShuaiXu,YanWang.MicrostructureandpropertiesofCuZrAlandCuZrAlTimediumentropyalloyspreparedbymechanicalalloyingandsparkplasmasintering[J].JournalofIronandSteelResearch,International,2017,24:448-457.CuZrAl和CuZrAlTi等原子比块状合金的XRD分析13Fig.3.XRDpatternsofas-sinteredE3(a)andE4(b)alloysatdifferentsinteringtemperatures.E3合金是由FCC固溶体Al1.05Cu0.95Zr和AlZr2两种金属间化合物组成。E4合金在低温烧结完全是由金属间化合物组成，高温烧结时产物主要有FCC1+FCC2固溶体加上CuTi3金属间化合物组成。WenjuanGeXutingLi,PengchaoQiao,JianweiDu,ShuaiXu,YanWang.MicrostructureandpropertiesofCuZrAlandCuZrAlTimediumentropyalloyspreparedbymechanicalalloyingandsparkplasmasintering[J].JournalofIronandSteelResearch,International,2017,24:448-457.CuZrAl等原子比块状合金的形貌14Fig.4.FESEMimagesandmagnifiedfigures(inset)ofas-sinteredE3bulkalloysinteredat700℃(a,b),and1050℃(e,f);andEDSspectraofdifferentregions(c,d)and(g,h)correspondingto(b)and(f),respectively.亮区富含Cu、暗区富含Al、Zr。说明Cu易偏析到边界。高温合金中，有许多纳米析出物均匀分布在。WenjuanGeXutingLi,PengchaoQiao,JianweiDu,ShuaiXu,YanWang.MicrostructureandpropertiesofCuZrAlandCuZrAlTimediumentropyalloyspreparedbymechanicalalloyingandsparkplasmasintering[J].JournalofIronandSteelResearch,International,2017,24:448-457.CuZrAlTi等原子比块状合金的形貌15Fig.5.FESEMimagesandmagnifiedfigures(inset)ofas-sinteredE2alloysinteredat690℃(a,b),and1100℃(e,f);andEDSspectraofdifferentregions(c,d)and(g,h)correspondingto(b)and(f),respectively.Al元素富含于边界处。Ti元素的添加阻碍了Cu元素的偏析，且促进了均匀结构的产生。WenjuanGeXutingLi,PengchaoQiao,JianweiDu,ShuaiXu,YanWang.MicrostructureandpropertiesofCuZrAlandCuZrAlTimediumentropyalloyspreparedbymechanicalalloyingandsparkplasmasintering[J].JournalofIronandSteelResearch,International,2017,24:448-457.CuZrAl和CuZrAlTi块状合金硬度分析16Fig.6.Hardnessofas-sinteredE3andE4,alloysatdifferentstntermgtemperatures.E4合金与E3合金相比，硬度值偏高分析原因可能是以下几点：E4合金迟滞扩散效应加强，纳米析出物增多且弥散分布。E4-1100℃合金主要是由固溶体构成，固溶体作为增强相。E4-1100℃合金的烧结密度较高，达到99.6%WenjuanGeXutingLi,PengchaoQiao,JianweiDu,ShuaiXu,YanWang.MicrostructureandpropertiesofCuZrAlandCuZrAlTimediumentropyalloyspreparedbymechanicalalloyingandsparkplasmasintering[J].JournalofIronandSteelResearch,International,2017,24:448-457.CuZrAl和CuZrAlTi块状合金电化学腐蚀分析17Fig.7.Potentiodynamicpolarizationcurvesofas-sinteredE3,andE4alloysatdifferentsinteringtemperatures.样品以及304不锈钢均出现了钝化膜；E4低温合金的耐点腐蚀性能好；高温下合金的耐点腐蚀性能就比较差。E4合金出现两次钝化现象。Table4CorrosionparametersofthetestedsamplesintheseawatersolutionWenjuanGeXutingLi,PengchaoQiao,JianweiDu,ShuaiXu,YanWang.MicrostructureandpropertiesofCuZrAlandCuZrAlTimediumentropyalloyspreparedbymechanicalalloyingandsparkplasmasintering[J].JournalofIronandSteelResearch,International,2017,24:448-457.结论18通过机械合金化和放电等离子烧结制备了CuZrAl和CuZrAlTi块状中熵合金，并详细研究了合金的合金化行为、相变、微观结构和性能。合金主要是由非晶相组成，Ti的添加提高了非晶形成能力。CuZrAl块状合金主要是由fcc固溶体、Al1.05Cu0.95Zr和AlZr2金属间化合物组成。CuZrAlTi块状中熵合金在低温下只由金属间化合物组成，高温下合金由fccl,fcc2和CuTi3相组成。高温合金由于高密度，固溶强化和纳米尺寸结晶相的均匀沉淀硬度值达到了1173HV0.2。CuZrA