al含量对cucrfemnalxx=0,05,15合金组织结构及硬度的影响

al含量对cucrfemnalxx=0,05,15合金组织结构及硬度的影响

传统的铬设计理念认为，添加过量的金属环会形成许多金属化合物，降低键的性能。所以传统合金都是以一种或两种元素作为主要组元,并且添加一些微量的其他元素来改善性能。20世纪90年代,台湾学者首先提出“高熵合金”的概念,该合金和传统合金最大的区别就是由多种元素构成,这些元素按照等原子比或近似等原子比配比,没有一种元素作为主要元素,是由多种元素共同表现来展示其特色。按照Gibbs相规则,当合金由多种主要元素组成时,F=C–P+1,F为自由度,C为组元数,P为相数。在恒压下,一个C组元系统中最大的平衡相数P=C+1。对高熵合金的研究表明,高熵合金倾向于形成简单固溶体,而不是形成金属间化合物,因此合金内相的总数远远低于Gibbs相规则所允许的数值。高熵效应是造成这种现象的原因。由于高熵效应抑制了脆性金属间化合物的出现,使得合金形成简单晶体结构,因此,高熵合金具有高硬度、强耐腐蚀性、良好的耐磨性及高温抗软化等优良性能。高熵合金作为一种新的合金,目前无论是在实验研究还是理论研究方面的结果都比较少,对于高熵合金的形成机理等问题还少有报道。本实验通过真空电弧熔炼法制备了由5种过渡族金属元素组成的等原子比合金,并以此为基与Al组成伪二元合金系列CuCrFeMnTiAlx(x=0,0.5,1.0,1.5),结合该合金系的组织结构分析,研究了Al含量对合金的组织结构、硬度及摩擦磨损行为的影响。1试验与表征方法将Cu、Cr、Fe、Mn、Ti、Al6种合金元素(各种元素的纯度都大于99.9%)按照设计的体系进行配比,在氩气保护下通过真空电弧熔炼制得CuCrFeMnTiAlx(x=0,0.5,1.0,1.5)伪二元合金系铸锭(定义Al-x表示CuCrFeMnTiAlx),每个合金锭重复熔炼4次以保证成分均匀。从合金锭上截取尺寸为Φ9mm×10mm的圆柱体,用于摩擦磨损试验。采用УТИТВ-100型销盘摩擦磨损试验机评价合金在干摩擦滑动条件下的耐磨性能。磨损试验在室温下以无润滑方式进行。所用偶件为Φ70mm×10mm的GCrl5钢盘。试验滑动速度0.8m/s,滑动距离1000m,载荷为20N。采用HV-5与FM-700型维氏硬度仪分别测试合金的宏观与显微硬度;分别采用S-570与S-4700型扫描电子显微镜(SEM)观察合金微观组织及磨损表面形貌;采用能谱分析仪(EDS)对合金进行微区成分分析;采用D/max-rB旋转X射线衍射仪测定高熵合金的相结构;采用PhilipsTecnai20型透射电子显微镜(TEM)分析合金的晶体结构。2结果和分析2.1化学成分分析图1为铸态Al-x合金微观组织的SEM照片。由图1可以观察出,合金的组织形态为典型的枝晶组织,由枝晶与枝晶间区域构成。当Al含量由0增加到1.5时,枝晶形状由树枝状转变为花瓣状。经EDS分析,得出铸态Al-x高熵合金初生树枝晶DR和枝晶间ID各相的化学成分,如表1所示。由表1可知,Cr、Fe、Ti这3种元素基本分布在树枝晶内;Al、Mn大体在两相上均匀分布;初生枝晶间Cu富集的现象特别明显,均在50%左右。根据Boltzmann假设,由n种组元组成的合金的混合熵Smix可以表示为:式中,T为热力学温度;Hmix为混合焓。由式(2)可知,高的混合熵能显著降低系统的自由能,降低元素偏析的趋势,使得固溶体在凝固时比金属间化合物和其他有序相更容易形成,也更稳定。由于Cu与Cr、Fe的混合焓分别为+12和+13kJ/mol,Cu-Cr和Cu-Fe之间的混合熵不够平衡它们之间如此大的混合焓,这样Cr与Fe将阻碍Cu存于枝晶中;而且Cu自身与其他元素的结合能力也很差,从而导致在凝固时进入枝晶间区。2.2亚甲基-固溶体的晶体结构图2为铸态Al-x合金X射线衍射图谱。分析图2发现,Al-0、Al-0.5和Al-1.0形成了密排六方(hcp)结构的固溶体,Al-1.5形成面心立方(fcc)结构和少量密排六方(hcp)的固溶体,其中Al-0还存在少量的未知相。根据布拉格定律,可以计算出各相的晶格参数,如表2所示。可以发现,当添加少量Al时,Al-0.5合金形成的密排六方(hcp)相与Al-0合金的晶格参数相差不大;当添加Al的含量为1.0时,较多Al原子的固溶使晶格发生畸变,晶格往c轴方向膨胀;当Al含量为1.5时,由于出现fcc相,缓解了密排六方(hcp)固溶体的晶格畸变,使得密排六方(hcp)相的畸变量减小。图3是Al-1.5合金的TEM明场相及相应枝晶DR与枝晶间ID的衍射花样。通过衍射花样分析,可知Al-1.5合金枝晶为密排六方结构,枝晶间为面心立方结构。3.3al-1.5合金的硬度图4为铸态Al-x高熵合金的硬度曲线。由图4可知,随着Al含量的增加,合金的硬度逐渐升高,其中Al-1.5合金的硬度最高,可以达7.19GPa。这是由于随着Al含量的增加,晶格畸变增加,固溶强化效果增强,所以硬度提高。合金枝晶的显微硬度远远高于枝晶间的显微硬度,这是由于过多的Cu聚集在枝晶间内,导致了枝晶间变软,从而硬度下降。2.4磨损对al-0.5合金摩擦系数的影响图5为铸态Al-0、Al-0.5和Al-1.0合金的磨损量与磨损距离的关系(Al-1.5较脆,不做分析)。由图5知,随着磨损距离的增加,Al-0合金的磨损量最大,Al-0.5最小,Al-1.0处于两者之间,这说明Al-0.5的耐磨性能较好。材料的摩擦系数是用来表征材料耐磨性的一个重要参数。摩擦系数越小,说明耐磨性越好。图6为铸态Al-x合金的摩擦系数与磨损距离的关系。可以看出,合金的摩擦系数随着磨损距离的增大逐渐增大,当磨损距离超过600m后摩擦系数趋于稳定。Al-0.5合金的摩擦系数较小。其原因可结合磨损形貌进行分析。图7为合金进行磨损试验后的表面磨损形貌,箭头所示为摩擦方向。由图7可知,磨损试验后的合金表面没有发生明显的变形。当Al含量为0时,合金在磨损过程中表面材料大面积地破碎脱落,磨损表面没有明显的犁沟,粘着磨损现象明显。随着Al含量的增加,合金硬度升高,合金表面的破碎脱落量减少,表面出现明显的犂沟,粘着现象减弱,合金摩擦系数升高。但由于Al-0.5合金在磨损初期摩擦系数较高,产生的热量导致表面氧化,摩擦表面产生了氧化区,从而降低了合金的摩擦系数,使得Al-0.5合金的耐磨性提高。图8为Al-0.5合金在磨损过程中出现的氧化区形貌及能谱分析。图8a为形貌图,图8b为能谱分析。由图8b可知,该区域内除了有合金体系的元素之外,还有大量的氧存在,摩尔分数可达42.16%。3al-1.5合金混合熵1)制备的CuCrFeMnTiAlx(x=0,0.5,1.0,1.5)铸态高熵合金具有简单结构。随着Al含量的增加,Al-x合金由密排六方(hpc)结构转变为面心结构(fcc)。2)合金的组织为典型的枝晶组织。初生枝晶间Cu富集的现象明显;Cr、Fe、Ti元素基本分布在树枝晶内,Al、Mn大体均匀分布在两相上。3)随着Al含量的增