軋制變形對Al0.3CoCrFeNi高熵合金顯微組織和性能的影響

黃藝娜，唐群華，戴品強(qiáng)，2

（1.福州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，福州350108；2.福建工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，福州350108）

0 引 言

自從葉均蔚［1］提出多主元高熵合金這一全新合金設(shè)計(jì)理念以來，眾多學(xué)者在該領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛而深入的研究。多主元高熵合金由至少5種主要元素構(gòu)成，每種元素都具有高的原子分?jǐn)?shù)，但都不超過35%［2］。高熵合金雖然含有多種合金元素，但是高熵合金凝固后不僅不會(huì)形成數(shù)目眾多的金屬間化合物，反而形成簡單的體心立方或面心立方甚至非晶質(zhì)相［3］，所得相數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于平衡相率所預(yù)測的相數(shù)。這是因?yàn)楦哽睾辖鹁哂懈叩木Ц窕兒突旌响亍Ｒ虼烁哽睾辖鹁哂懈邚?qiáng)度、高硬度、耐磨、耐腐蝕和抗高溫氧化等特點(diǎn)，具有廣泛的工程應(yīng)用前景。目前，高熵合金的研究主要集中在合金成分、組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、腐蝕性能等方面。

塑性變形對于傳統(tǒng)合金的強(qiáng)化與應(yīng)用有非常重要的意義。目前對高熵合金塑性變形的研究尚少有文獻(xiàn)報(bào)道，對高熵合金塑性變形機(jī)制、塑性變形與組織結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系更缺乏了解。Tsai［4］等選取了具有BCC＋FCC雙相結(jié)構(gòu)的Al0.5CoCrCuFeNi高熵合金，對其進(jìn)行冷軋?zhí)幚恚l(fā)現(xiàn)該合金的變形和強(qiáng)化機(jī)制與合金中納米孿晶的變形有關(guān)。Fan等［5］對BCC結(jié)構(gòu)的Al0.5CoCrFeNi高熵合金進(jìn)行冷軋?zhí)幚恚堉谱冃瘟?0%的合金硬度比鑄態(tài)合金增加近3倍，但是耐磨性卻下降了。為了對高熵合金的塑性變形有更深一步的了解，作者選取了FCC結(jié)構(gòu)的Al0.3CoCrFeNi高熵合金為研究對象，對其進(jìn)行不同變形量的冷軋變形，研究了軋制變形對其顯微組織和性能的影響。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

采用高純度（不小于99.9%）的鋁、鈷、鉻、鐵、鎳作為原料，在純氬氣保護(hù)下，采用LG505型懸浮熔煉冷坩堝制備出350g的Al0.3CoCrFeNi合金鑄錠，熔化溫度為2 000℃，澆注溫度為1 000℃。為保證合金成分均勻，反復(fù)熔煉五次。使用線切割技術(shù)在鑄錠中部截取冷軋?jiān)嚇樱叽鐬?1mm×15mm×30mm。采用K03-60型輥軋機(jī)對冷軋?jiān)嚇舆M(jìn)行冷軋，軋制變形量分別為30%，60%，90%，分別以R30、R60、R90表示，鑄態(tài)合金以R0表示。

1.2 試驗(yàn)方法

采用XJZ-6A型立式光學(xué)顯微鏡、日立S-3400NⅡ型掃描電鏡觀察分析合金的顯微組織。采用D／max UltimaⅢ型X射線衍射儀進(jìn)行相結(jié)構(gòu)分析。用DHV-1000型顯微維氏硬度計(jì)測試合金的硬度，測試載荷為4.9N，加載時(shí)間為15s。拉伸試驗(yàn)在Instron 1185型萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸試樣如圖1所示，拉伸應(yīng)變速率為10-3s-1。電化學(xué)測試在3.5%NaCl（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）溶液中進(jìn)行，塔菲爾極化曲線由CHI660D電化學(xué)工作站測定，工作電極為試驗(yàn)合金，輔助電極為鉑電極，參比電極為飽和甘汞電極，掃描速率為1mV·s-1，測試范圍-0.6VSCE～0.6VSCE，測試結(jié)束后用SEM觀察腐蝕形貌。采用304不銹鋼作為對比試樣進(jìn)行電化學(xué)試驗(yàn)。

圖1 拉伸試樣尺寸Fig.1 Spacemen size in tensile test

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 軋制變形對合金顯微組織的影響

從圖2中可以看出，經(jīng)過不同變形量的塑性變形后，合金的相結(jié)構(gòu)都未發(fā)生變化，仍為簡單的FCC結(jié)構(gòu)的單相固溶體；但是各衍射峰強(qiáng)度發(fā)生了變化，這是因?yàn)樵谲堉七^程中晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，取向發(fā)生了變化。當(dāng)變形量為30%時(shí)，XRD譜中有（200）衍射峰，說明出現(xiàn)了（200）織構(gòu)；變形量增大到60%時(shí)，（200）衍射峰相對強(qiáng)度減弱；變形量增大到90%，（200）衍射峰消失，（200）織構(gòu)消失。同時(shí)也可以看出隨著軋制變形量的增加，合金的衍射峰發(fā)生了一定程度的寬化，這是軋制過程中晶格畸變和晶粒細(xì)化引起的［5-6］。

圖2 不同變形量軋制后Al0.3CoCrFeNi高熵合金的XRD譜Fig.2 XRD patterns of Al0.3CoCrFeNi high-entropy alloys rolled at different deformation degrees

表1為由Al0.3CoCrFeNi高熵合金中各種元素組成的原子對之間的混合焓。可以看出，鋁-鎳原子對具有遠(yuǎn)低于其它原子對的混合焓，表明在熔煉過程中鋁和鎳很可能會(huì)結(jié)合并形成金屬間化合物。從圖3可見，鑄態(tài)Al0.3CoCrFeNi高熵合金的晶粒為等軸晶，且無明顯的成分偏析。這是因?yàn)楦叩幕旌响誓芙档拖到y(tǒng)的自由能，降低元素偏析的趨勢，使得凝固過程中固溶體比金屬間化合物更容易形成［7-9］。經(jīng)30%變形量軋制后，合金中晶粒依然清晰可見，并未發(fā)生明顯變化；當(dāng)變形量增加到60%時(shí)，晶粒沿著軋制方向被拉長，晶界依然可見，晶粒中間出現(xiàn)與軋制方向成約60°角的剪切帶；當(dāng)變形量達(dá)到90%時(shí)，晶粒變得細(xì)長且晶界難以辨認(rèn)，出現(xiàn)了纖維狀變形組織，方向與軋制方向一致。在變形量較大時(shí)，在變形組織剪切帶之間會(huì)有更多的剪切帶形成，而被剪切帶切動(dòng)形成的臺階在能量上是不穩(wěn)定的；為了降低能量，這些臺階會(huì)逐漸變直最后形成纖維狀組織［10-11］。

表1 Al0.3CoCrFeNi高熵合金中各種元素組成的原子對之間的混合焓［12］Tab.1 The mixing enthalpies of atom-pairs between each element in Al0.3CoCrFeNi high-entropy alloys（kJ·mol-1）

圖3 不同變形量軋制后Al0.3CoCrFeNi高熵合金的顯微組織Fig.3 Microstructure of Al0.3CoCrFeNi high-entropy alloys rolled at different deformation degrees

2.2 軋制變形對合金力學(xué)性能的影響

圖4 軋制變形量對Al0.3CoCrFeNi高熵合金硬度的影響Fig.4 Effect of deformation degree on hardness of Al0.3FeCoCrNi high-entropy alloys in rolling

從圖4中可以看出，隨著變形量的增加（0～90%），Al0.3CoCrFeNi高熵合金的硬度呈近似直線上升，從151.24HV增加到418.9HV，表現(xiàn)出非常強(qiáng)的加工硬化能力［4］。這是由于高熵合金中有很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用，使合金內(nèi)部的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)困難，從而具有很強(qiáng)的加工硬化能力。

從圖5中可以看出，合金強(qiáng)度變化規(guī)律與硬度變化規(guī)律一樣。硬度最低的R0試樣，其抗拉強(qiáng)度也最低，為180MPa，在拉伸過程中出現(xiàn)了屈服平臺，并出現(xiàn)了頸縮現(xiàn)象，伸長率為62.5%。合金的抗拉強(qiáng)度隨著變形量的增加而提高，R90試樣的抗拉強(qiáng)度為1 175MPa，未出現(xiàn)屈服過程，伸長率為13%。軋制變形會(huì)引起合金中位錯(cuò)密度的增加，在隨后變形時(shí)位錯(cuò)開動(dòng)和運(yùn)動(dòng)阻力增大，使材料的強(qiáng)度提高而塑性下降［13］。

圖5 不同變形量軋制后Al0.3CoCrFeNi高熵合金的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Engineering stress-strain curves of Al0.3CoCrFeNi high-entropy alloys rolled at different deformation degrees

2.3 軋制變形對合金耐腐蝕性能的影響

將圖6所示不同軋制變形量Al0.3CoCrFeNi高熵合金和304不銹鋼在NaCl溶液中的極化曲線，通過Tafel直線外推法可以得到各種合金的自腐蝕電位（Ecorr）和自腐蝕電流密度（jcorr），見表2。從圖6和表2可知，304不銹鋼的自腐蝕電位最高，R0試樣次之，軋制態(tài)合金的自腐蝕電位均低于304不銹鋼和R0試樣的；自腐蝕電流密度的變化趨勢正好與自腐蝕電位的相反。這說明軋制變形會(huì)引起Al0.3CoCrFeNi高熵合金耐蝕性能的降低。變形量越大，晶粒形狀越扁，即晶粒長徑比越大，所以垂直于軋制方向的應(yīng)力腐蝕抗力越低［14］。

圖6 不同變形量軋制后Al0.3CoCrFeNi高熵合金和304不銹鋼在NaCl溶液中的極化曲線Fig.6 Polarization curves of Al0.3FeCoCrNiNi high-entropy alloys rolled at different deformation degrees and 304stainless steel in NaCl solution

表2 不同變形量軋制后Al0.3CoCrFeNi高熵合金和304不銹鋼在NaCl溶液中的自腐蝕電位和自腐蝕電流密度Tab.2 Corrosion potential and corrosion current density of Al0.3CoCrFeNi high-entropy alloys rolled at different deformation degrees and 304stainless steel in NaCl solution

從圖7中可以看出，合金都發(fā)生了孔蝕，由于Cl-具有很強(qiáng)的穿透能力，可穿過鈍化膜導(dǎo)致腐蝕的發(fā)生［15］，在腐蝕過程中會(huì)導(dǎo)致閉塞電池效應(yīng)的發(fā)生，加大腐蝕效率。根據(jù)氧化膜理論，Cl-經(jīng)由空隙或缺陷貫穿氧化物膜比其它離子容易的多，或者將氧化膜破壞而分解而增加其滲透性［16］。經(jīng)腐蝕后，鑄態(tài)合金表面分布著大量細(xì)小孔洞，偶爾出現(xiàn)寬而深的孔洞。隨著軋制應(yīng)變量的增加，腐蝕孔洞的尺寸和深度均逐漸增大，進(jìn)一步說明了軋制高熵合金的耐蝕性較差。

圖7 不同變形量軋制的Al0.3CoCrFeNi高熵合金在NaCl溶液中腐蝕后的表面形貌Fig.7 Surface morphology of Al0.3CoCrFeNi high-entropy alloys rolled at different deformation degrees after corrosion in NaCl solution

3 結(jié) 論

（1）Al0.3CoCrFeNi高熵合金經(jīng)不同變形量軋制后仍為FCC單相結(jié)構(gòu)，鑄態(tài)合金具有等軸晶組織，隨著變形量的增加，晶粒沿著軋制方向被拉長，最終形成了纖維狀組織。

（2）Al0.3CoCrFeNi高熵合金具有較強(qiáng)的加工硬化能力，隨著軋制變形量的增加，其硬度由鑄態(tài)的151.24HV增加到R90的418.9HV，強(qiáng)度由鑄態(tài)的180MPa增加到R90的1 175MPa，伸長率則由62.5%下降到13%。

（3）隨著軋制變形量的增加，Al0.3CoCrFeNi高熵合金在NaCl溶液中的耐蝕性能逐漸降低。

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