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利用高熵合金制备新型稳定的高强纳米合金
发布时间:2019-07-19 14:30:06发布者:Admin新闻种类:前沿动态

大块金属玻璃常为Zr和Fe基合金系统,很少有关于其他多组分合金的报道。最近研究发现:Fe-Co-Ni-Cr-B高熵合金能够形成均匀的纳米级Cr5B3团簇的非晶相。通过Mo部分替代Cr,能够拓宽形成非晶相的硼的含量范围。然而,之前的论文提出非晶相仅在16-31 at%的较高硼含量范围内,具有热稳定性,机械性能和耐腐蚀性,且没有关于退火非晶,部分和完全晶化的研究。Fe-Co-Ni-Cr-Mo-B的HE非晶合金的结晶态,硼含量低于14 at%。低非金属含量的新型HE非晶合金对于新结构和涂层材料的未来发展具有吸引力。然而,预期低非金属HE非晶合金,在铸态或甚至结晶状态下表现出更高的饱和磁化通量密度,良好的耐腐蚀性和良好的机械性能,避免了可塑性的灾难性损失。因此,本文研究了新的(Fe0.25Co0.25Ni0.25Cr0.125Mo0.125)86-89B11-14(at%)HE非晶合金的退火过程中结构变化,及其对性能的影响。

研究人员加热诱导高熵(HE)(Fe0.25Co0.25Ni0.25Cr0.125Mo0.125)86-89B11-14非晶(am)合金结晶,开发低B含量的新结构材料。11B合金的结晶发生在三个阶段:第一阶段,在非晶基体形成纳米级bcc晶体相;第二阶段形成纳米级fcc晶体相;第三阶段,非晶相消失,形成bcc,fcc相和硼化物。14B合金的热诱导过程中,除了bcc和fcc出现的顺序相反,其余情况相同。在高达960K下,粒径为5-15 nm的bcc和fcc粒径几乎保持不变。退火时,在第三结晶阶段获得1500-1550的超高硬度(对于无硼化物结构是前所未有的)。在低的硼含量下,新型[am bcc fcc]结构具有优异的硬化和热稳定性,促进了超高强度合金的发展。根据bcc/fcc相和非晶基体元素组分的分配性质和程度,以及bcc和fcc晶体相的尺寸和缺陷结构来解释结果。RT时的磁通密度因bcc的析出而增加,并且因fcc的出现而降低。慢淬火时,11B合金的出现伪多晶型结晶,这可能是多组分HE系统的特征。

(Fe0.25Co0.25Ni0.25Cr0.125Mo0.125)86-89B11-14非晶合金结晶过程中,引起了微观结构和机械性能的变化,其具体如下:

1)11B合金的结晶出现三个阶段:无定形(am)→[am’+bcc]→[am’’+bcc+fcc]→[bcc+fcc+borides],晶化温度为775 K,900 K和1120 K。对fcc的偏好bcc随着硼含量的增加而增加,对于14B合金,结晶阶段变为:[am]→[am’+fcc]→[am’’+fcc+bcc]→[bcc+fcc+borides],晶化温度为783 K,890 K和1074 K。

2)11B和14B合金中的第一和第二结晶阶段,出现直径~5 nm的bcc晶体和直径为10-15 nm的fcc晶体。这些晶体直径在高达~960 K的温度范围内几乎保持不变。纳米级bcc相中,没有明显的内部缺陷,而纳米级fcc相中含有高密度的平面缺陷和孪晶边界。

3)bcc和残余非晶相之间存在成分分配,但除Cr之外的元素含量的分数变化很小。fcc纳米晶体显示出微小变化,除了它们富含28%的Ni和其中60%更差的Mo。结晶富集了Cr,Mo和B中的残余非晶相,增强了其稳定性。由于分配程度有限,bcc和fcc纳米相显示出溶解度的非平衡扩展。

4)对于11B,非晶合金的维氏硬度(Hv)为~1120,随着硼含量的增加而降低至1450的1050,这与硼的最近邻原子距离相关,不依赖于硼含量。Hv随着退火温度Ta的增加而线性增加,在960 K下退火1.8 ks的纳米级[am’’+bcc+fcc]相混合物达到~1520。这种超高Hv可归因于:残余非晶相,bcc和fcc析出物的细小尺寸和缺陷结构,沉淀物中合金组分的过饱和度和高水平的溶解应变。不含硼化物的新型三相混合物在比其他结构有效的B含量低得多的情况下获得超高硬度。

5)11B非晶合金在室温下是顺磁性的并且随着结晶变成铁磁性的。随着bcc相的沉淀,RT的饱和磁化强度迅速增加,随后fcc相的析出略微减少,然后随着合金成分在bcc,fcc和非晶相之间逐渐重新分布以及那些的体积分数而增加。阶段也在变化。

图1 (a)Fe0.25Co0.25Ni0.25Cr0.125Mo0.125)86-89B11-14合金的DSC曲线; (b)第一步晶化和第二步晶化温度与B的函数关系图

图2 第一步退火后,11B合金的结构表征;(a)在3个放热峰温度下,1B合金退火1.8 ks的X射线衍射图;在775 K下,退火1.8 ks的11B合金的明场TEM图像(b),选择区域电子衍射图案(c)和HRTEM图像(d)。

图3 第二步退火后,11B合金的结构表征;a)在900 K下,退火1.8 ks的11B合金的明场TEM图像(a),选区电子衍射图(b),(111)fcc相的暗场图像(c)和高分辨率TEM图像(d);(e,f)11B合金中,fcc纳米颗粒的平面缺陷和孪晶边界的HRTEM图像。

图3 14B合金退火的结构表征

来源: F.Wang, A.Inoue, F.L.Kong, S.L.Zhu, E.Shalaan, F.Al-Marzouki, C.S.Kiminami, Yu.P.Ivanov, A.L.Greer. Formation, stability and ultrahigh strength of novel nanostructured alloys by partial crystallization of high-entropy (Fe0.25Co0.25Ni0.25Cr0.125Mo0.125) 86‒89B11‒14 amorphous phase, Acta Materialia, 2019, 170, 56-61.

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