A10.5CoCrCu FeNi高熵合金熱處理后對其顯微組織與硬度影響研究

焦延博

摘要：在A10.5CoCrCuFeNi的高熵合金具體制備態中，主要包含兩種FCC相，其中顯微組織是典型樹枝晶的形貌，在枝晶間分布著很多納米粒子。當退火溫度在500攝氏度-1000攝氏度時，高熵合金會析出少量的BCC相，伴隨退火溫度上升，會使得BCC相減少。本文通過實驗的形式對此作了研究。

關鍵詞：高熵合金；熱處理；顯微組織；硬度

多組元的高熵合金屬于全新合金成分的設計概念，在合金成分之中包含不同等摩爾的主元，各種元素濃度為5%-35%。其打破傳統成分設計的理念，把一種或是兩種元素當做主要的成分，然后加入其它的微量元素，對性能與結構進行改進。近年來，關于高熵合金的研究與開發越發活躍，并且吸引了很多關注，就傳統冶金原理的觀點進行分析，在多種合金的元素凝固時，容易形成各種金屬間的化合物與復雜有序相。而就高熵合金來看，因為異類原子的種類比較多，使得高熵合金存在嚴重晶格的畸變與擴散遲緩等效應，使高熵合金可以同時具備多種突出的性能，例如：耐磨、高強度、高硬度與韌性等，這在很大程度上拓展了高熵合金應用范圍。

1試驗材料與方法

通過高純的Cu、A1、M、Co、Fe與Cr作原材料，其純度都超過99.5%，根據M0.5CoCrCuFeNi/原子比行程合金成分的配料，同時于氬氣保護條件下實施將合金熔體凝固與冷卻在相應熔煉坩堝之中，獲得包子狀的合金錠，需要對每一個合金錠進行一次倒置重熔，確保成分均勻性。在完成熔煉以后，通過線切割，把試樣制為10毫米x10毫米x3毫米尺寸，方便后續研究。在分析合金相結構時，通過xPert Pro MPDP型的x射線衍射儀器/XRD分析；分析顯微結構時，通過XJZ-6A型光學的顯微鏡以及SUPRA55型的掃描電子顯微鏡/SEM進行分析；在分析成分時，通過掃描電子的顯微鏡上所附帶Oxford-X-Max 50能譜的分析儀/EDS進行分析；在測試合金硬度時，通過DHV-1000型的顯微硬度計進行測試，每一個試樣都選擇八個點，加載的荷載是4.9牛、加載的時間是15秒。

2結果分析

2.1制備態的合金顯微組織

從制備態下高熵合金顯微組織的照片中能夠了解到，在高熵合金制備態中，顯微組織主要是典型樹枝晶的組織，通過枝晶間與枝晶構成。其中，在枝晶間分布著很多納米的粒子，因為高熵合金遲滯擴散的效應，使得制備態下可以析出納米晶與非晶。

不同區域中EDS的能譜分析具體結果如下：在納米粒子區域Cr為6.5、A1為9.4、Cu為57.4、Ni為12.6、C0為7.3、Fe為6.8；在枝晶間Cr為6.1、A1為12.5、Cu為55.4、Ni為13.3、C0為6.5、Fe為6.3；在枝晶Cr為22.5、A1為6.8、Cu為9.1、Ni為17.4、Co為22.0、Fe為22.2。經上述分析能夠得出Ni的元素分布相對平均，而Cu元素集中在枝晶間，Fe、Co與Cr元素集中在枝晶。

相關研究中指出，Cu元素和Fe、Co與Cr元素有較大混合焓，其結合力不強，凝固初期會被排斥至枝晶間的區域。因為高熵的效應，系統混合熵比金屬間的化合物混合熵大，各個元素固溶不夠均勻。所以在晶胞中構成組織的偏析，會導致金屬間的化合物形成進行抑制，使得簡單的晶體結構形成，通常cu元素會有一定量固溶于樹枝晶中，Fe、Co與Cr元素同樣會部分融入到富銅枝晶間中。在枝晶間所析出納米粒子和枝晶間相成分比較接近，證明兩者的結構一樣。與XRD的分析結合可以看出，高熵合金樹枝晶中ECC1相與e3Ni2的結構比較類似，枝晶間ECC2相與FeCu4的結構比較類似。

2.2退火溫度對于A10.5CoCrCuFeNi的高熵合金硬度與顯微組織影響

2.2.1退火溫度在A10.5CoCrCuFeNi的高熵合金中硬度方面產生的影響

從A10.5CoCrCuFeNi的高熵合金退火態試樣與制備態硬度圖中能夠看出，在退火以后合金硬度均都比制備態硬度大，伴隨退火溫度逐漸升高，當溫度處于700攝氏度以內時，合金硬度呈上升趨勢，700攝氏度達到最大值，即為314HV0.5，溫度為800攝氏度時開始降低，到了100攝氏度又開始增大。合金硬度變化是因為各種溫度退火以后，合金析出BCC相的含量存在差異，致使析出強化的效果存在不同，在100攝氏度時，合金中的BCC含量雖然微小與枝晶相對粗化，然而枝晶間所析出針狀物有析出強化的效果，所以與900攝氏度退火合金相比，不僅不會降低硬度，而且會提高硬度。

2.2.2退火溫度對于A10.5CoCrCuFeNi的高熵合金中顯微組織影響

從不同溫度條件下退火以后的A10.5CoCrCuFeNi的高熵合金XRD圖譜中不難看出，在退火以后，在700攝氏度溫度條件下，合金逐漸析出少量的BCC相，并且伴隨退火溫度上升，BCC相峰強呈現出漸漸降低的趨勢，FCC1相峰強則會伴隨退火溫度升高而上升，當溫度在600攝氏度以內時，會漸漸的增強，當溫度到達700攝氏度時會降低，溫度到達900攝氏度會增加到最強，在1000攝氏度時則會降到最低。在700攝氏度以內，FCC2相峰強也呈現出逐漸加強的趨勢，在800攝氏度出現下降，到了900攝氏度會升到最大，在1000攝氏度時，會假象。通常情況下，峰強變化既和相含量有聯系，又和熱處理以后因為元素擴散所致晶格畸變的程度大小相關，如果畸變的程度比較大，那么對于XRD的衍射線散射越強，衍射峰的強度越低。

另外，從各種溫度條件下退火以后A10.5 CoCrCuFeNi的高熵合金金相的顯微圖中能夠了解到，當退火溫度處于500攝氏度-1000攝氏度時，合金組織的形貌比較相似，都是典型樹枝晶的組織。當退火溫度上升時，在1000攝氏度以下，合金枝晶尺寸沒有顯著的變化，如果溫度為1000攝氏度，枝晶會發生明顯的粗化。當退火溫度為700攝氏度時，合金枝晶間的組織會析出棉絮狀的物質，按照XRD的數據分析可知，這種物質是BCC相，在退火溫度為800攝氏度與900攝氏度時BCC相會減少，當退火溫度為1000攝氏度時，幾乎見不到BCC，合金的枝晶間所析出針狀物質寬度在1微米左右。因為退火溫度1000攝氏度時，合金只析出少量的BCC相，未析出其他的新相，所以推導得出這種針狀物質是和枝晶間的相結構一樣的富Cu FCC2相。

3結論

在A10.5CoCrCuFeNi的高熵合金具體制備態中，主要包含兩種FCC相，其中顯微組織是典型樹枝晶的形貌，在枝晶間分布著很多納米粒子。當退火溫度在500攝氏度1000攝氏度時，高熵合金會析出少量的BCC相，伴隨退火溫度上升，會使得BCC相減少。此外，和其他制備的方法比起來，通過真空感應懸浮熔煉方法所致合金的硬度比較高，并且高熵合金有著較好的熱穩定性，即便在800攝氏度下，通過水冷、爐冷與空冷以后，相結構和硬度都維持著一定穩定性。