激光熔覆AlCrCoFeNi高熵合金涂层力学性能及组织研究毕业论文 精品.docx
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毕业论文
激光熔覆AlCrCoFeNi高熵合金涂层力学性能及组织研究
学生姓名:
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指导教师:
二〇一三年六月
诚信声明
本人郑重声明:
本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的,在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。
本人签名:
年月日
毕业设计(论文)任务书
设计(论文)题目:
激光熔覆AlCrCoFeNi高熵合金涂层力学性能及组织研究
系部:
专业:
学号:
学生:
指导教师(含职称):
专业负责人:
1.设计(论文)的主要任务及目标
本文主要研究AlCrCoFeNi五主元合金的力学性能及组织。
选取原材料Al、Cr、Co、Fe、Ni,其纯度为99.5%以上,按摩尔比为1:
1:
1:
1:
1配置合金,用激光熔覆铸AlCrCoFeNi高熵合金。
研究合金铸态与退火态的力学性能及组织,主要包括材料的硬度、耐磨性以及组织。
通过对其各个力学性能的实验研究,总结出其对应的力学变化规律,找出综合力学性能较好的元素配比,进而进行高熵合金喷涂实验的研究。
2.设计(论文)的基本要求和内容
1.了解高熵合金研究的背景,目的及意义
2.了解制备熔炼高熵合金的过程以及其元素配比
3.掌握测试维氏试验硬度设备的原理、操作,了解其注意事项
4.通过实验获得并分析高熵合金相应的力学性能,找出其规律
5.整理材料,撰写论文
3.主要参考文献
[1]叶均蔚,陈瑞凯,刘树均.高熵合金的发展概况[J].工业材料杂志,2005,224:
71-79
[2]刘源,李言祥,陈祥,等.多主元高熵合金研究进展[J].材料导报,2006,(20):
4-7
[3]郭卫凡.多主元高熵合金的研究进展,金属功能材料第16卷。
第l期,2009年2月。
[4]朱海云,孙宏飞,李业超.多主元高熵合金的研究现状与发展前沿.第9期,2008。
[5]梁秀兵,魏敏,程江波等.高熵合金新材料的研究进展.材料工程,2009,12:
75-79.
[6]刘源,李言祥,陈祥,等。
多主元高熵合金研究发展[J]。
材料导报,2006,(20):
4-7
[7]WangXF,ZhangYChenGL,eta1.Novelmicrostructureandpropertiesofmulti-componentCoCrCuFeNiTixalloys[J].Intermetailics,2007,15:
357-359
[8]CantorB,ChangITH,KnightP'cta1.Microstructuraldevelopmentinequiatomicmulticomponentalloys[J].Mater.Sci.Eng.2004,375-377:
213·218
[9]ZhouYJ,ZhangY,Wang,YL,etal.SolidsolutionalloysofAlCoCrFeNiTixwithexcellentromm-temperaturemechanicalproperties[J].Appl.Phys.Lett,2007,90:
181904-181906
[10]HuangPK,YehJW,ShunTT,etal.Multi-principal-elementalloyswithimproveoxidationandwearresistanseforthemalspraycoating[J].Adv.Eng.Matet,2004,6:
74-78
[11]HuangPK,YehJW,ShunTT,etal.Multi-principal-elementalloyswithimproveoxidationandwearresistanseforthemalspraycoating[J].Adv.Eng.Matet,2004,6:
74-78
4.进度安排
设计(论文)各阶段名称
起止日期
1
了解高熵合金概况及其制备熔炼
2013年3月8日—2013年3月31日
2
掌握测试高熵合金各个力学性能的试验方法
2013年4月1日—2013年4月30日
3
将制备好的试件进行各个力学性能的测试
2013年5月1日—2013年5月20日
4
将各个实验数据整理总结,找出规律
2013年5月21日—2013年5月31日
5
整理资料,撰写论文,准备答辩
2013年6月1日—2013年6月10日
AlCrCoFeNi高熵合金涂层力学性能及组织研究
摘要:
多主元高熵合金是近年来兴起的一种新型合金材料,它的最大特点是突破了传统合金只以一种或两种金属元素为主的设计框架,从而发展出一种全新的合金。
多主元高熵合金是以五种或五种以上主要元素按等摩尔比或近等摩尔比经熔炼、烧结或其他方法组合而成具有金属特性的材料。
主要元素的增多使合金产生高熵效应,晶体结构倾向于形成简单体心或简单面心结构,同时可能伴有晶间化合物生成,甚至在铸态就会析出纳米晶,从而起到固溶强化、沉淀强化和弥散强化效果,使高熵合金的性能比传统合金具有较大优势。
本论文选取Al、Cr、Co、Fe、Ni五种常用的金属元素,研究该系列合金的力学性能及其变化规律。
采用激光熔覆熔炼合金,再对合金铸态与退火态的硬度与耐磨性能进行测试研究。
研究发现:
此五种元素熔炼生成的的高熵合金其硬度明显高于普通的硬质合金(其硬度约为HRC25),未经热处理(800℃退火处理)的高熵合金涂层的硬度就已经能够达到HRC35,经过热处理的高熵合金涂层硬度能够达到HRC46。
高熵合金的这种特性与其内部的组织有很大联系,主要是形成了简单的BCC、FCC及BCC+FCC结构固溶体。
AlCrCoFeNi高熵合金的耐磨性能也远优越于普通的合金,将其喷涂在刀具上可延长刀具的使用寿命。
AlCrCoFeNi高熵合金具有显微结构简化、不倾向于出现金属间化合物、具有纳米析出物与非晶质结构等结构特征,具有高强度、高硬度、耐回火软化、耐磨等性能特性。
正因如此,高熵合金可以更大程度的满足工业生产的需要,其开发应用前景十分广阔。
关键词:
高熵合金,涂层,硬度
STUDYONTHEMECHANICALPROPERTIESOFAlCrCoFeNiHIGHENTROPYALLOYS
Abstract:
Principalelementsofhigh—entropyalloysisonlyjustemerginginrecentyears,whichisanewtypeofmaterialscience.Itsbiggestfeatureisthebreakthroughofthetraditionalalloythatonlyoneortwokindsofmetalelementsbaseddesignframework,developanewalloydesignconcept.High-entropyalloysbasedonequimolarornearlyequimolarratiofiveormorethanfivekeyelements,takingmelting,sinteringorothermeanstogetacombinationofthemetallicmaterial.Theincreaseofthekeyelementsleadtoproducehigh—entropyeffect,crystalstructuretendtoformasimplebody—centeredorsimpleface—centeredstructure,intergranularcompoundsalsomaybeaccompaniedbythegeneration,eveninthecastitwillbeprecipitatednanocrystals.Thisphenomenonisplayingasolidsolutionstrengthening,precipitationstrengtheninganddispersionstrengtheningeffect,whichmakingtheperformanceofhigh一entropyalloyshavegreateradvantagescomparedtoconventionalalloys.
ThispaperpicksAI、Cr、Co、Fe、Nifivecommonlyusedmetals.Usingvacuumarcfurnacemeltingalloy,AlloycastandannealedStateofstudyonhardnessandwearresistancetest.
Found:
Thefiveelementsgeneratedbythesmeltingofhigh-entropyalloyitshardnessissignificantlyhigherthanordinaryhardalloy(Itshardnessisapproximatelyhrc31).Withouttheheattreatment(800℃annealingtreatment)ofhigh-entropyalloycoatinghardnesscanreachhrc45.2.Afterheattreatmentofhigh-entropyalloycoatinghardnesscanreachhrc51.Thischaracteristicofhighentropyalloysanditsinternalorganizationhasgreatlinks,MainlyformedinsimpleBcc,FCCandBcc+FCC.AlCrCoFeNiHighentropyalloyswearresistanceisfarsuperiortoordinaryalloys,Onitssprayingtoolcanextendthelifeofcuttingtools.
AlCrCoFeNiMicrostructureofhighentropyalloyshavesimplified,donottendtoappearintermetallicprecipitates,withnano-structurecharacteristicsofamorphousstructure,Withhighstrength,highhardness,tempersofteningresistance,wearresistance,andotherperformancecharacteristics.so,high-entropyalloysaresuperiorthanthetraditionalalloyinmechanicalpropertiesandwearresistance,whichcanbegreatertoadapttotheneedsofindustrialproduction,itsdevelopmentandapplicationprospects.
Keyword:
highentropyalloys,coating,hardness
目录
1绪论………………………………………………………………………………1
1.1概述……………………………………………………………………………1
1.2选题背景、研究的目的和意义………………………………………………1
1.3本课题研究主要内容…………………………………………………………3
2文献综述…………………………………………………………………………4
2.1多主元高熵合金的定义………………………………………………………4
2.1.1固溶体混合熵………………………………………………………………4
2.1.2高熵合金的界定……………………………………………………………5
2.2高熵合金的制备方法…………………………………………………………7
2.2.1电弧熔炼法…………………………………………………………………7
2.2.2高频感应炉加热熔炼………………………………………………………8
2.2.3其他熔炼方法………………………………………………………………8
2.3高熵合金的特点及性能………………………………………………………8
2.4多主元效应……………………………………………………………………10
2.4.1高熵效应……………………………………………………………………10
2.4.2晶格畸变效应………………………………………………………………10
2.4.3缓慢扩散效应………………………………………………………………11
2.4.4鸡尾酒效应…………………………………………………………………11
2.5高熵合金的应用领域…………………………………………………………12
3多主元合金力学性能及组织分析………………………………………………………15
3.1维氏硬度试验…………………………………………………………………15
3.1.1仪器介绍……………………………………………………………………15
3.1.2实验原理……………………………………………………………………17
3.1.3试验操作步骤………………………………………………………………18
3.1.4实验注意事项………………………………………………………………19
3.1.5实验内容……………………………………………………………………19
3.1.6实验分析结果………………………………………………………………21
3.2金相组织试验…………………………………………………………………22
3.2.1试验机机构介绍……………………………………………………………22
3.2.2实验步骤……………………………………………………………………24
3.2.3注意事项……………………………………………………………………24
3.2.3实验内容………………………………………………………………25
4结论………………………………………………………………………………28
5参考文献…………………………………………………………………………29
6致谢………………………………………………………………………………31
1绪论
1.1概述
多主元高熵合金是近年来兴起的一种新型合金材料,它的最大特点是突破了传统合金只以一种或两种金属元素为主的设计框架,从而发展出一种全新的合金。
多主元高熵合金是以五种或五种以上主要元素按等摩尔比或近等摩尔比经熔炼、烧结或其他方法组合而成具有金属特性的材料。
主要元素的增多使合金产生高熵效应,晶体结构倾向于形成简单体心或简单面心结构,同时可能伴有晶间化合物生成,甚至在铸态就会析出纳米晶,从而起到固溶强化、沉淀强化和弥散强化效果,使高熵合金的性能比传统合金具有较大优势。
高熵合金在晶体结构及各种性质上和传统合金有极大的差异,主要包括一下几个方面:
(1)不但能形成简单的BCC和FCC结构甚至易产生纳米相和无序的非晶相;
(2)具有良好的热稳定性;(3)极高的硬度、温室强度和良好的塑性变形能力;(4)优越的耐腐蚀和耐磨性能。
一般来说,传统概念的固溶体特性是具有较好的塑性变形能力,但硬度和强度较低,通常只能作为基体相。
而基于多主元构成髙熵合金形成的固溶体有着较高的强度和硬度,甚至高于非晶合金的强度,同时还具有良好的热稳定性和耐磨耐蚀特性,为新型结构材料的设计提供了丰富的空间。
高熵合金的性能比传统合金具有较大的优越性,但高熵合金的元素种类不同,其力学性能,微观组织结构也会有所变化,故研究高熵合金具体元素的特性也是很有必要,本文就以AlCrCoFeNi为例,研究高熵合金力学性能
1.2选题背景、研究的目的和意义
材料、信息、能源被称为现代科学技术的三大支柱,而材料又是一切技术发展的物质基础。
任何新的技术成就,莫不仰赖于各种相互匹配的新型材料,而新型材料中金属材料是其重要的一个方面,例如航空、航天工业所需的高温合金,核工业的核燃料、核反应堆材料,现代信息技术使用的硅、锗等半导体材料、新型磁性材料等。
由于这些新技术的发展又推动研制新的材料品种和发展新的冶金生产工艺和装备。
由此可见,金属材料的开发和研究是科学技术的一个基本领域。
传统合金系统约有30种,其在特性上已经达到相当高的境界,但在许多方面仍然无法满足设计的需求,所以近年来,有更多的努力欲寻求突破,开发出了一些新的材料。
如介金属材料、金属基复合材料、金属玻璃和无铅焊锡等。
介金属材料主要为:
NiAl、Ni3A1、Ti3Al、TiA1、FeAl、Fe3Al等。
这种材料具有高刚性/密度比、高温强度/密度比以及抗氧化性能,但是它的延性和韧性都极差,因此开发了近20年,尚未能有具体突破,仅有极少量的应用;金属基复合材料是以Al、Ti、Ni为基材,氧化物及碳化物为强化相复合而成的金属材料。
它具有高刚性、耐温性和耐磨性的优点,但是也有极为明显的缺点,如它的强化相难以均匀分布、含孔洞、低韧性,使用可靠度也比较低,因此未能取代钛合金及其他结构材料;金属玻璃和无铅焊锡也由于存在这样或那样的不足,未能大量使用于实际。
蓦然回首,长久以来,我们都在传统合金观念下配制合金、开发其工业、研究其微观组织结构性能以及开发应用,无形中也就限制了合金发展的自由度及空间。
究其原因,主要是因为在传统合金观念下,虽然可以添加少量合金元素来提高和改善材料性能,但如果合金中成分过多,会产生金属间化合物和复杂相,导致合金性能恶化;也给材料的组织、成分分析以及材料的性能控制带来极大的困难。
在这种观念的束缚下,金属材料的发展似乎钻进了一条死胡同,能够做出的突破越来越少,与日新月异的科技发展速度越来越不匹配。
因此解放思想,打破桎梏,成为了新型金属材料研究的新课题。
上世纪七十年代以来,在合金领域里,众多科学家和学者做出了三个较大的突破,即:
多元素大块非晶合金、多功能的超弹塑性合金以及纳米结构的高熵合金的制备。
高熵合金是以中国台湾国立清华大学以叶均蔚为首的学者们,通过多元素大块非晶合金的研究,首先跳出了传统合金的狭窄理念,于1996年提出新的合金设计理念,高熵合金从此出现在了世人的面前。
作为三种新型材料之中最后提出来的高熵合金,目前可以说是一块尚未开发的全新领域。
但毫无疑问的,这是一个极具学术研究价值及工业发展潜力的高新科技,通过研究该项科技,可研发出大量实用和高技术含量的新型金属材料。
通过试验研究发现,高熵合金地制备,除了可以使用传统金属的加工工艺以外,还可以利用速凝法、机械合金化来制备。
通过这2种方法所制备的高熵合金,其微观组织更倾向于形成纳米晶颗粒或是非晶结构。
与传统合金相比,高熵合金在以下特性中拥有更好的表现:
(1)高硬度和良好的韧性;
(2)良好的耐腐蚀性和耐磨性;(3)较高的耐温性和回火抗性;(4)良好的加工硬化性能。
因此,高熵合金可以作为工程材料中多种其他合金的替代材料使用。
高熵合金的性能比传统合金具有较大优越性,但其微观组织和性能机理有待研究。
开展这方面的工作,对于开发新型高熵合金材料,促进高熵合金在工业上的应用,具有十分重要的经济价值和社会价值。
1.3本课题研究主要内容
高熵合金的研究现在还处于初级阶段,无论是从理论上,还是从具体实验的设置及结果上,所出的成果还是很少。
人们对高熵合金的合金化过程机理及其中涉及到的诸多科学问题,基本上还没有很好的认识和解释。
对于怎样选择合金的元素种类,也没有科学的依据可循。
此外,对高熵合金凝固后的微观组织结构、相的成分与合金的机械性能、物理性能和化学性能之间的关系,也还没有找到其间的规律性。
因此有待于开展这方面的研究工作,探索其组织和性能的形成机理及其影响规律。
本文主要研究AlCrCoFeNi五主元合金的力学性能。
选取原材料Al、Cr、Co、Fe、Ni,其纯度为99.5%以上,按摩尔比为1:
1:
1:
1:
1配置合金,用激光熔覆熔铸AlCrCoFeNi高熵合金。
研究合金铸态与退火态的力学性能,主要做以下几方面的工作:
(1)选择日常使用的金属材料,研究其力学性能,比较不同配方的AlCrCoFeNiMoTixSiy高熵合金的力学性能,分析它们的力学性能优劣。
改变热处理工艺,研究热处理工艺对材料性能影响。
(2)利用维氏硬度机测试合金的硬度。
(3)通过以上实验数据,分析合金的力学性能以及Ti、Si含量变化对合金力学性能的影响。
2文献综述
2.1多主元高熵合金的定义
以中国台湾学者叶均蔚为首的一批材料学者,在经过大量实验,掌握了大量数据的前提下,于1996年首次提出了新的合金设计理念,即多主元高熵合金,也称为多主元高混乱度合金。
一般把多主元高熵合金定义为:
由n(≥5)种金属或金属与非金属,以等摩尔比或是近等摩尔比(各组元原子百分比不超过35%)经熔炼、烧结或其他方法组合而成具有金属特性的材料。
如下式所示:
·为n个主要元素的[n元合金系统]:
5≤n≤13;
·每个主要元素的原子百分比:
5%≤n≤35%;
·每个次要元素:
n≤5%。
2.1.1固溶体混合熵
在热力学上,熵(entropy)是代表一个物质系统的混乱度的参数,如果混乱度越大,熵就越大。
一个物质系统中的原子振动组态、电子组态、磁矩组态、原子排列组态等都会影响系统的熵值,其中原子排列组态的影响最大,如果忽略其它组态对熵值的影响,则系统的熵以原子排列的混合熵为主。
混合熵也称组态熵,组态熵随着合金中组元的组合方式的不同而不同,其反映合金中组元的组合方式,例如二元固溶体、空位固溶体与有序固溶体等组元组合方式不同,其组态熵也不同。
熵(S)是热力学几率,组态熵△S=KlnW。
计算热力学几率,实际上是一个计算组合的问题,下面以二元置换固溶体为例进行计算。
设固溶体晶格中一共有N个结点,被A和B两类原子完全占据,一个结点上只能容纳一个原子,这两类原子的数目分别是NA和NB,现在计算这两类原子填充到结点上的组态数目。
NA个结点被A类原子充填后,余下的NB个结点由B原子占据,此时只有一种组合,所以求两类原子的填充组合实际上是求NA个原子占据N个结点的组合数,
(1.1)
一般N很大,例如1摩尔原子的晶体中,N就是阿夫加德罗常数6.0225×1023,所以计算阶乘时可以采用斯特林(Stirling)近似公式,即
lnN!
=NInN-N(1.2)
故组态熵为
(1.3)
如果用摩尔分数表示成
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