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Advances in Material Chemistry
Vol. 09  No. 02 ( 2021 ), Article ID: 41939 , 5 pages
10.12677/AMC.2021.92008

AlxCoCrFeNi高熵合金组织性能研究

马金磊1,2，孟祥然1,2，曲涛1,2

1辽宁科技学院冶金工程学院，辽宁 本溪

2辽宁省低品位非伴生铁矿优化应用重点实验室，辽宁 本溪

收稿日期：2021年3月29日；录用日期：2021年4月13日；发布日期：2021年4月27日

摘要

采用激光烧结法制备AlxCoCrFeNi (x = 1; 1.5; 2)高熵合金，通过测试其显微组织、成分和力学性能，研究Al元素含量的变化对高熵合金的组织性能的影响。实验结果表明，当x从1到1.5再到2不断增大时，AlxCoCrFeNi合金的晶体结构由FCC + BCC向BCC不断转变，高熵合金的晶格畸变和硬度也随之增大；当x = 2时晶格畸变达到最大，同时硬度也达到最大值512.5 HV。

关键词

高熵合金，硬度，组织结构

Research on Microstructure and Properties of AlxCoCrFeNi High-Entropy Alloy

Jinlei Ma1,2, Xiangran Meng1,2, Tao Qu1,2

1School of Metallurgy Engineering, Liaoning Institute of Science and Technology, Benxi Liaoning

2Liaoning Key Laboratory of Optimized Utilization for Non-Associated Lean Iron Ore, Benxi Liaoning

Received: Mar. 29th, 2021; accepted: Apr. 13th, 2021; published: Apr. 27th, 2021

ABSTRACT

AlxCoCrFeNi (x = 1; 1.5; 2) high-entropy alloy was prepared by laser sintering. The effect of Al content on the microstructure and properties of high-entropy alloy was studied by measuring its microstructure, composition and mechanical properties. The experimental results show that when x increases from 1 to 1.5 and then to 2, the crystal structure of AlxCoCrFeNi alloy changes from FCC + BCC to BCC, and the lattice distortion and hardness of the high entropy alloy also increase; the lattice distortion reaches its maximum when x = 2, and the hardness also reaches the maximum of 512.5 HV.

Keywords:High Entropy Alloys, Hardness, Structure

Copyright © 2021 by author(s) and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 引言

高熵合金是一类新型金属材料，1995年由台湾学者叶均蔚提出了高熵合金的概念，即：合金元素一般大于等于5种元素，且每种元素的原子百分比为5%~35%，熵值大于1.61R [1]。高熵合金可以通机械合金化、电弧熔炼和激光熔覆等方法来制备 [2]。由于多种主要元素形成固溶体合金的高熵效应、迟缓扩散效应和鸡尾酒效应，导致高熵合金易形成面心立方、体心立方结构或两相混合结构，拥有了高强的硬度、良好的耐腐蚀性、耐磨性和抗高温软化性等优点 [3]，被广泛地应用到装备制造、航空航天和能源工程等高新技术领域之中 [4]。

目前，过渡族金属元素组成的高熵合金研究处于初级阶段，研究内容主要是制备方法、组元比例、微量非金属元素对合金组织、性能的影响 [5] [6]。高熵合金在性能方面主要集中在热稳定性、压缩性能等方面，结构方面主要集中于形成简单固溶体结构 [7]。AlFeCuCoNiCr、AlCoCrCuFeNi和AlCrFeNi等系列的高熵合金系列都被广大的学者研究，在高熵合金中主要元素的合理设计能使其满足我们的需求。鲍亚运等 [8] 发现随Al元素含量的增加，FeCrNiCoCu高熵合金的结构由FCC向BCC转变并且合金的硬度和耐冲蚀性在显著提高。郑必举等 [9] 发现随Al元素含量的增加，AlxCrFeCoCuNi高熵合金高温表面Al2O3氧化膜的厚度也随之变厚，从而使合金拥有良好的抗氧化性。李安敏等 [10] 研究发现AlCrxCuFeNi合金的硬度随Cr含量的增加而增加，是晶体结构，固溶强化和晶格畸变因素综合作用结果。Hsu等 [11] 发现，Fe元素含量的增加使合金AlCoCrFexMo0.5Ni硬度降低和耐磨性降低。

本文选择了5组元AlxCoCrFeNi作为研究对象，主要研究Al对AlxCoCrFeNi (x = 1; 1.5; 2)组织结构和力学性能的影响，为高熵合金主要元素的选择提供一定的实验基础。

2. 实验

2.1. 实验材料

实验中使用的Al、Co、Cr、Fe、Ni金属粉末纯度为99.9%，颗粒度是300目。根据x的值来确定每种元素的质量，取试样质量为15 g，可以得出每组试样中各元素的质量，如表1所示。使用真空球磨机混合粉体，球磨时间为4 h，在100 MPa的压强下压坯，得到直径Ф为15 mm块状试样。

Table 1. Sample numbers and mass of components of high entropy alloys

表1. 高熵合金试样编号及各组分的质量

2.2. 实验方法及设备

使用功率为1 kW的CO2激光器，持续时间10 s，完成试样的烧结。合金试样的物相通过布鲁克advance D8型X射线衍射分析仪进行测试，扫描角度为10˚~90˚，扫描速度为0.1˚/s。合金的显微组织和成分通过蔡司EVO-18扫描电子显微镜和牛津X-max能谱仪进行测试。

使用HVS-50维氏硬度计测量试样的硬度，荷载10 kgf，保持时间10 s。每个试样测试3次硬度值，取平均值。使用MMW-1摩擦磨损试验机测试试样的磨损性能，对磨材料为GCr15淬火钢，试验力为200 N，转速为200 r/min，测试时间为6 min。

3. 测试结果分析

3.1. XRD分析

图1为AlxCoCrFeNi高熵合金的XRD图谱；其中1为试样AlCoCrFeNi，2为试样Al1.5CoCrFeNi，3为试样Al2CoCrFeNi。随着Al元素的增加，高熵合金的晶体结构由FCC + BCC向BCC转变，Al元素的原子半径大，引起的晶格畸变也随着含量的增加而增大，晶体结构也从密堆结构向非密堆结构转变。由于激光烧结急冷的作用，高熵合金的结晶度低于类似原子组成的铸态高熵合金。

Figure 1. XRD map of AlxCoCrFeNi high entropy alloys

图1. AlxCoCrFeNi高熵合金的XRD图谱

3.2. 显微组织分析

图2为AlxCoCrFeNi高熵合金的背散射(BSD)图像，表2为AlxCoCrFeNi高熵合金的EDS数据(原子百分比，%)。图2中(1)为试样AlCoCrFeNi，(2)为试样Al1.5CoCrFeNi，(3)为试样Al2CoCrFeNi；(2) (3)中的黑色部分为孔隙。随着Al元素增加，晶格畸变增大，晶间组织增加，晶间组织主要是由富Cr的BCC相组成，CoFeNi三种元素的原子半径十分接近，更容易形成固溶体结构，Cr元素的熔点高于其他元素，在形成晶粒时，Cr元素被排斥到晶间组织中。

Figure 2. BSD image of AlxCoCrFeNi high entropy alloy

图2. AlxCoCrFeNi高熵合金的BSD图像

Table 2. AlxCoCrFeNi EDS data of high entropy alloy matrix (atomic percentage, %)

表2. AlxCoCrFeNi高熵合金基体的EDS数据(原子百分比，%)

3.3. 硬度与磨损测试

根据图3中AlxCoCrFeNi高熵合金硬度和磨损测试结果可知，随着Al元素含量的增大，AlxCoCrFeNi高熵合金的硬度也变大，这是由于高熵合金的晶格畸变增大，位错阻力增大，从而提高了合金的硬度。与此相对的就是合金的抗磨损性能提高。

Figure 3. Vickers hardness and wearing volume of AlxCoCrFeNi high entropy alloys

图3. AlxCoCrFeNi高熵合金的维氏硬度和磨损量

4. 结论

1) AlxCoCrFeNi高熵合金的晶体结构由FCC和BCC组成，随着Al元素的增加，AlxCoCrFeNi高熵合金的晶体结构向富Cr的BCC转变，Al元素的原子半径大，引起的晶格畸变也随着含量的增加而增大，晶体结构也从密堆结构向非密堆结构转变。

2) 随着Al元素含量的增加，AlxCoCrFeNi高熵合金的维氏硬度值在不断地增加，磨损量在不断地减小。

基金项目

本辽宁科技学院2020年大学生创新创业训练计划项目(202011430087)；辽宁省教育厅科学研究经费项目(202007111)。

文章引用

马金磊,孟祥然,曲 涛. AlxCoCrFeNi高熵合金组织性能研究
Research on Microstructure and Properties of AlxCoCrFeNi High-Entropy Alloy[J]. 材料化学前沿, 2021, 09(02): 66-70. https://doi.org/10.12677/AMC.2021.92008

参考文献

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    https://doi.org/10.1002/adem.200300567

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