Material Sciences
Vol.08 No.05(2018), Article ID:25122,7 pages
10.12677/MS.2018.85069

Research on TiC Particle Reinforced MnxFeCoNiCu High Entropy Alloy Matrix Composites

Chengyan Zhu, Heguo Zhu

College of Materials Science and Engineering, Nanjing University of Science & Technology, Nanjing Jiangsu

Received: May 4th, 2018; accepted: May 20th, 2018; published: May 28th, 2018

ABSTRACT

The Mn-Fe-Co-Ni-Cu-Ti-C system was microwaved to generate TiC particle reinforced MnxFeCoNiCu matrix composites. The phases and structures were characterized by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS). And the analysis of sample hardness was tested by microhardness tester. The results show that the TiC particles formed in the high entropy alloy are uniformly distributed in the matrix. With the increase of Mn content, the enrichment of Ti and Mn decreases, the amount of TiC increases, and the diffraction peak of the matrix shifts to the left. With the increase of the TiC addition ratio, the enrichment of Ti and Mn increased, and the diffraction peak of the matrix shifted to the right. At the same time, the hardness of the material increases as the Mn content increases and TiC addition increases.

Keywords:High Entropy Alloy, Microwave Synthesis, X-Ray Diffraction, Energy Spectrum Analysis

TiC颗粒增强MnxFeCoNiCu高熵合金基复合 材料的研究

朱成艳,朱和国

南京理工大学材料科学与工程学院,江苏 南京

收稿日期:2018年5月4日;录用日期:2018年5月20日;发布日期:2018年5月28日

摘 要

利用Mn-Fe-Co-Ni-Cu-Ti-C体系微波反应生成TiC颗粒增强MnxFeCoNiCu基复合材料,运用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)以及能谱(EDS)进行物相、组织的分析,运用显微硬度计对样品硬度进行分析。结果表明:高熵合金中反应生成TiC颗粒均匀地分布在基体中,并且随着Mn含量的增加,Ti和Mn的富集减少,TiC的生成量增加,基体的衍射峰位左移。随着TiC的添加比例增加,Ti和Mn的富集增加,基体的衍射峰位右移。同时,材料的硬度随着Mn含量的增加和TiC的质量分数的增加而提高。

关键词 :高熵合金,微波合成,X射线衍射,能谱分析

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1. 前言

到目前为止,人类己经成功开发了包括:钛基合金、镍基合金、铁基合金、铝合金、铜合金、镁合金等 [1] [2] [3] [4] 在内的30余种成熟的合金体系,合金体系的研究趋近于饱和。针对这一现状,台湾学者叶均蔚 [5] 于1995年提出新的合金设计理念——多主元高熵合金,这突破了传统的合金设计理念。传统合金的设计,是通过添加特定的少量合金元素(溶质)来改善基体金属(溶剂)的性能,当合金元素的添加过多时会产生很多的化合物,尤其是脆性金属间化合物的出现,导致合金的性能恶化。而多主元高熵合金一般由5~13种主要元素组成,且每种元素的摩尔含量介于5%~35%,更容易形成多组元固溶体相而不是脆性金属间化合物 [6] 。高熵合金具有高硬度、高耐磨性、高温稳定性以及优异的拉伸性能等特点 [7] [8] 。目前,科研工作者们对高熵合金的研究日渐成熟,比如有高熵合金的相形成规律,混合熵、混合焓和原子尺寸在合金形成固溶体中的作用,特定性能高熵合金的设计,以及高熵合金的拉伸性能、强化机制等力学行为的系统研究都取得了很大的进展 [9] [10] [11] [12] [13] 。但是基于高熵合金基的复合材料的研究较少 [14] [15] [16] [17] ,本文主要研究TiC颗粒增强MnxFeCoNiCu高熵合金,通过微波烧结,对烧结后的样品进行x射线衍射(XRD)分析,扫描电镜(SEM)分析,分析其中的TiC颗粒的分布情况以及Mn含量对组织的影响。

2. 实验

将金属Ni粉(纯度99.8%)、Ti粉(纯度99.5%)、Mn粉(纯度99.7%)、Co粉(纯度99.6%)、Fe粉(纯度99.4%)、Cu粉(纯度99.5%)、C粉(纯度99.8%)按照一定的比例配置粉末。在MnxFeCoNiCu/TiC高熵合金基复合材料中,高熵合金基体各组元除Mn外均为等摩尔比,即Fe原子、Co原子、Ni原子、Cu原子的数量之比为1:1:1:1。同时,其中的Mn原子含量即x值分别为0.2、0.6、1.0。根据计算,配制不同TiC增强体质量分数(5%,10%)的粉末各20 g。将配制好的粉末放入干燥箱中干燥,然后装入球磨罐,进行球磨4个小时。球磨结束后,将混合均匀的粉末放入压力机中压块。然后,将装有压块的坩埚放入微波烧结炉(图1)内,关闭法兰,抽真空,并打开冷却和真空,设置加热降温程序进行烧结,待炉温低于300℃后,可取出样品。其中,表1展示了本实验中使用的各类仪器设备型号及生产厂家。

Figure 1. Schematic of microwave vacuum reaction chamber

图1. 真空微波炉反应室示意图

Table 1. Experiment with using the device list

表1. 实验使用设备列表

3. 结果和讨论

3.1. 原位反应生成TiC

图2为微波烧结制备的TiC/MnFeCoNiCu系样品组织结构SEM照片及EDS图谱,从图2(a)中可以看出,图中分布着很多颗粒状和团簇状的物质。结合EDS图谱分析可以得知A相为TiC相,其中小颗粒为未生长完成的TiC颗粒,B相为基体相。

图3为TiC/MnFeCoNiCu系反应产物和高熵合金基体XRD图,从图中可以看出,有几个强度比较高的峰和一些较低的峰。根据峰位分析可知,强度较高的峰为基体的峰,可以得出基体为面心立方(FCC)结构,而强度较低的为TiC的峰,因为材料中TiC的含量比较低,所以峰强明显低于基体的,但依然可以验证高熵合金基体中发生了化学反应生成了TiC。

3.2. Mn含量对高熵合金组织与结构的影响

图3为TiC质量分数为5%时,不同Mn含量的样品的SEM照片及对应的XRD图,经过能谱分析可知,细小的颗粒状的物质为TiC,大块黑色的团簇状物质为Ti和Mn的富集。从图中可以看出,加入不同比例的Mn之后,颗粒状的TiC生成量增加,Ti和Mn的富集量减少,分析其原因可能是加入的Mn的量比较少时,Mn更容易和加入的少量的Ti富集;而当Mn含量增加时,由于加入的Ti的量过少,不足以和Mn产生偏聚,Mn更倾向于融入基体当中,Ti反而更容易和C发生反应产生TiC。从XRD图片可知,高熵合金基体的特征峰并没有发生显著变化,说明该复合材料晶体还保持原有晶型。但是随着Mn

Figure 2. SEM Photo and EDS Spectra of TiC/MnFeCoNiCu samples prepared by microwave sintering

图2. 微波烧结制备的TiC/MnFeCoNiCu样品组织结构SEM照片及EDS图谱

Figure 3. XRD patterns of TiC/MnFeCoNiCu reaction products and high entropy alloy matrix

图3. TiC/MnFeCoNiCu系反应产物和高熵合金基体XRD图

含量的增加,能明显的看到基体的特征峰的峰强度增加,且峰位略有左移,说明Mn含量对晶体结构产生了一定的影响。原因可能是Mn的原子半径略高于Co和Ni的原子半径,当Mn原子融入到基体中时,使面心立方结构的基体晶面间距增大,根据布拉格方程可知,θ角减小,从而峰位左移。

3.3. TiC含量对高熵合金组织和结构的影响

图5(a)和图5(b)分别是TiC的质量分数为10%、5%时的SEM照片,图5(c)为TiC质量分数分别为10%、5%时的XRD图。从SEM照片可以看出,相同Mn含量,随着TiC的量的增加,团簇状的黑色物质增多,即Ti和Mn的富集增多,而XRD图中的基体的特征峰峰位略有右移。分析可能原因是Ti元素加入量增加,Mn更容易与Ti发生偏聚,从而基体中Mn含量减少,晶面间距减小,因此峰位右移。同时,峰强度减小,这可能是因为TiC的比例增加使面心立方结构的基体中产生了内应力,破坏了衍射晶面的整体性,从而使衍射强度降低。

3.4. Mn含量以及TiC含量对材料显微硬度的影响

表2为不同Mn含量和不同TiC含量的样品的显微硬度的测量结果,从表中可以得出,随着Mn含量的增加,显微硬度值不断增加。结合图4中的SEM照片可知,随着Mn含量的增加,样品表面的孔洞减少,说明Mn元素的增加提高了材料的致密性,从而有利于硬度增加。同时,能明显的发现TiC质量分数较少时,硬度有所降低。结合图5中的扫描照片可知,TiC质量分数为5%时,增强颗粒粒径明显变大,颗粒之间的间距增加,增强颗粒的弥散强化作用减弱,从而硬度有所降低。综合这两个原因可知,提升Mn含量和TiC的质量分数能提高硬度。

Figure 4. SEM photographs and corresponding XRD patterns of TiC/MnxFeCoNiCu composites with different x values when TiC mass fraction is 5%. (a) Mn content is 0.2; (b) Mn content is 0.6; (c) Mn content is 1.0

图4. TiC质量分数为5%时,不同x值的复合材料TiC/MnxFeCoNiCu的SEM照片及对应的XRD图。(a) Mn含量为0.2;(b) Mn含量为0.6;(c) Mn含量为1.0

Figure 5. SEM photos and XRD diagrams of TiC/MnFeCoNiCu alloys with different TiC mass fractions. (a) TiC mass fraction is 10%; (b) TiC mass fraction is 5%

图5. 不同TiC质量分数的TiC/MnFeCoNiCu系的SEM照片和XRD图。(a) TiC质量分数为10%;(b) TiC质量分数为5%

Table 2. Microhardness with different Mn content and different TiC mass fraction

表2. 不同Mn含量和不同TiC质量分数的显微硬度

4. 结论

综合以上分析和讨论,可以得到以下结论:利用微波合成复合材料TiC/MnxFeCoNiCu,TiC可以生成并较均匀地分布在高熵合金基体中,但是Ti、Mn容易结合且随着TiC和Mn的加入量的不同结合的能力也不同。当TiC的含量一定时,随着Mn含量的增加,融入基体中的Mn的量增加,从而促进了TiC的反应生成,组织由大块的Ti、Mn团簇状物质变成细小弥散的TiC颗粒。而当Mn含量一定时,随着TiC的比例增加,Ti、Mn富集增加,组织中大块的团簇状物质增多。同时,提高Mn含量和TiC的质量分数能提高材料的硬度。

致 谢

感谢南京理工大学重点毕业设计、国家自然科学基金(批准号:51371098,51571118)和江苏省自然科学基金(批准号:BK20141308)对本项目的支持。

文章引用

朱成艳,朱和国. TiC颗粒增强MnxFeCoNiCu高熵合金基复合材料的研究
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