難熔高熵合金性能及粉末介紹

航空航天、石油化工等行業(yè)對(duì)應(yīng)用于高溫承載結(jié)構(gòu)和熱防護(hù)的金屬合金需求很高,隨著合金熔點(diǎn)提高,合金的最高服役溫度也會(huì)提高,探索由高熔點(diǎn)元素組成的高性能合金的意義不言而喻。難熔高熵合金(refractory high entropy alloys, RHEAs)是以難熔金屬元素為主元的新型高熵合金。

難熔金屬元素主要包括Ti,V,Cr,Zr,Nb,Mo,Hf,Ta,W 等熔點(diǎn)高于1650℃的金屬元素。RHEAs的高溫力學(xué)性能優(yōu)于鎳基高溫合金及其他傳統(tǒng)高溫合金,在高溫下有著巨大的應(yīng)用潛力。RHEAs良好的抗輻照性能使其可應(yīng)用于航空航天、核能等含有放射性環(huán)境的行業(yè)。此外,已有研究證明,RHEAs存在超導(dǎo)現(xiàn)象,有望應(yīng)用于超導(dǎo)體、電子化工等領(lǐng)域。但RHEAs存在著室溫延展性低、高溫抗氧化性差和密度大的缺點(diǎn)。提高 RHEAs室溫延展性和高溫抗氧化性能的同時(shí),降低其密度是未來研究重點(diǎn)。

粉末冶金法制備難熔高熵合金的相組成和方法

難熔高熵合金的性能

難熔高熵合金作為新一代高溫材料,具有優(yōu)異的綜合性能。以下概述了目前文獻(xiàn)已報(bào)道的RHEAs的室溫力學(xué)性能、高溫力學(xué)性能、高溫抗氧化性能、摩擦磨損性能、耐腐蝕性能、抗輻照性能等研究現(xiàn)狀。

1. 室溫力學(xué)性能

RHEAs與高熵合金相似,成分的改變會(huì)使其微觀結(jié)構(gòu)、相組成、強(qiáng)度及塑性等隨之發(fā)生變化,進(jìn)而影響合金的力學(xué)性能。此外,應(yīng)變速率的改變也會(huì)影響 RHEAs均勻變形時(shí)的力學(xué)性能。近年來研究的部分 RHEAs的室溫力學(xué)性能如下表所示。

部分難熔高熵合金的室溫力學(xué)性能

Guo等為了提高NbTaWMoRHEAs的強(qiáng)度, 向合金中加入不同含量的Si元素。隨著Si含量的增加,合金的屈服強(qiáng)度提高、塑性減小。分析認(rèn)為,在合金的形變過程中,硅化物的堆積阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),從而極大地提高了合金強(qiáng)度。Ge等通過建立CALPHAD模型,將 Al作為溶質(zhì)元素引入BCC結(jié)構(gòu) 中,通過計(jì)算擬合出 Al含量與晶格參數(shù)、屈服強(qiáng)度和硬度的關(guān)系。隨著Al含量增加,AlMoNbTaTiV RHEAs的屈服強(qiáng)度由1228MPa提高到1391MPa, 硬度由421HV0.1上升至575HV0.1。分析認(rèn)為,Al與其他原子形成了強(qiáng)p—d極性鍵,使晶格參數(shù)減小, 層間距減小,增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和原子擴(kuò)散的難度,進(jìn)而提高了合金強(qiáng)度。

2.高溫力學(xué)性能

傳統(tǒng)合金在高溫下存在明顯軟化現(xiàn)象,而RHEAs在高溫下仍保持著優(yōu)異的力學(xué)性能,被認(rèn)為是能夠在高溫條件下服役的良好候選材料。在1000℃以上,RHEAs的力學(xué)性能主要受固溶強(qiáng)化機(jī)制的影響。目前已報(bào)道的RHEAs絕大部分是單相或雙相結(jié)構(gòu),表明優(yōu)異的高溫力學(xué)性能不一定需要依賴合金的多相結(jié)構(gòu)。部分RHEAs的高溫力學(xué)性能如下表所示。

部分RHEAs的高溫力學(xué)性能

3. 高溫抗氧化性能

與傳統(tǒng)難熔合金一樣,RHEAs不可避免地出現(xiàn) 高溫抗氧化性能較差的缺陷,研究如何提高 RHEAs 的高溫抗氧化性能成為一個(gè)重要方面。RHEAs中的Mo,W,V等元素的氧化物在高溫下易發(fā)生揮發(fā),破壞合金表面的氧化膜,從而使氧化反應(yīng)速率增加,降低合金的高溫力學(xué)性能。此外,合金表面氧化膜是否連續(xù)、完整是合金高溫抗氧化的前提,應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致氧化膜的開裂或剝落。在氧化過程中會(huì)產(chǎn)生兩種應(yīng)力:一是在恒溫氧化過程中,因氧化膜生長而產(chǎn)生的生長應(yīng)力;二是在冷卻過程中,因金屬與氧化物熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。生長應(yīng)力與消耗的合金基體和形成的氧化物之間體積不匹配有關(guān)。純金屬與合金氧化可用 Pilling-Bedworth比(PBR)判斷,計(jì)算公式為:

PBR= Vox/Vm (1)

式中:Vox為生成氧化膜的體積;VM為消耗金屬的體積。PBR>1,氧化物中產(chǎn)生壓應(yīng)力,氧化膜較為致密, 抗氧化性強(qiáng)。反之,則產(chǎn)生拉應(yīng)力,抗氧化性差。在冷卻過程中,熱應(yīng)力過大會(huì)導(dǎo)致氧化膜剝落,但目前氧化物的熱膨脹系數(shù)一般低于金屬,在冷卻過程中產(chǎn)生壓應(yīng)力,使得氧化膜具有較好的黏附性,合金的抗氧化性提高。

4.摩擦磨損性能

RHEA作為運(yùn)動(dòng)副材料使用時(shí),其摩擦磨損性能會(huì)直接影響材料的可靠性及使用壽命。研究 RHEAs摩擦磨損性能的主要方法為球盤式和納米劃痕法。目前,大多數(shù)關(guān)于RHEAs摩擦磨損性能的研究僅限于室溫,在高溫下的研究較少。固溶體結(jié)構(gòu)與主要組元的含量都會(huì)影響 RHEAs的摩擦磨損行為。郭亞雄等探究了Nb含量對(duì)AlCrFeMoNbTiW RHEAs耐磨性的影響,發(fā)現(xiàn)隨著Nb含量增加,合金中碳化物和金屬間化合物含量上升,硬度提高,降低了摩擦副之間的塑性接觸,合金磨損量降低,摩擦磨損性能得到提高。Pole等研究了HfTaTiVZr和TaTiVWZr兩種RHEAs在298~ 723K溫度范圍內(nèi)的摩擦磨損行為,合金的穩(wěn)態(tài)摩擦因數(shù)在0.23~0.35范圍內(nèi),是目前所報(bào)道的最低值。當(dāng)溫度從298K升高到423K時(shí),合金的磨損機(jī)制從黏著磨損和磨粒磨損轉(zhuǎn)變?yōu)槟チＤp。

5. 熱穩(wěn)定性

RHEAs作為新一代高溫材料需在高溫下長時(shí)間工作,這可能會(huì)導(dǎo)致合金的相結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,進(jìn)而對(duì)合金的高溫強(qiáng)度造成影響。因此,合金的熱穩(wěn)定性對(duì)其能否在高溫下應(yīng)用有著決定性作用,但目前對(duì)RHEAs在高溫條件下的熱穩(wěn)定性研究較少。姚俊卿將Hf0.5Nb0.5Ta0.5Ti1.5ZrRHEAs 在 500~ 900℃下進(jìn)行了長達(dá)14天的退火,結(jié)果表明,合金在 800℃以上始終保持著單相BCC結(jié)構(gòu),在800℃以下發(fā)生了不同程度的相分解轉(zhuǎn)變。合金在700℃下退火14天后發(fā)生了相分解反應(yīng),析出了一種新的富含Nb和Ta的BCC相,合金由原來的單相BCC結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)锽CC1和BCC2組成的雙相結(jié)構(gòu)。分析認(rèn)為,在平衡狀態(tài)下,兩者的吉布斯自由能相差不大,由于 RHEAs的遲滯擴(kuò)散效應(yīng),Nb和Ta的擴(kuò)散速度較慢,導(dǎo)致BCC2相形核和生長速度較慢。BCC2相的生長降低了初始 BCC相晶粒的自由能并改善了晶粒缺陷。

合理的成分設(shè)計(jì)和制備方法能夠保證 RHEAs擁有高強(qiáng)度與高硬度,優(yōu)良的耐腐蝕性能、摩擦磨損性能、熱穩(wěn)定性和抗輻照性能等一系列優(yōu)異性能。RHEAs作為潛在高溫承重結(jié)構(gòu)、高溫耐熱涂層材料, 可以在石油化工、航空航天等領(lǐng)域廣泛使用,未來有著巨大的應(yīng)用潛力。

參考文獻(xiàn)：《難熔高熵合金制備及性能研究進(jìn)展》，姜萱，昆明理工大學(xué)

產(chǎn)品推介

球形高熵合金粉末WMoTaNb