Ti元素對CrTeCoNiTix高熵合金組織及性能的影響

姜越 程思夢 祖紅梅

摘 要：為了研究Ti元素對高熵合金的組織和性能的影響，采用放電等離子燒結方法制備了CrTeCoNiTix（x=0.2，0.4，0.6，0.8，1.0）多組元高熵合金。用OM、XRD和SEM等技術分析了合金的微觀組織，測試了CrTeCoNiTix高熵合金的硬度、壓縮強度及耐腐蝕性能。研究結果表明：不同Ti含量的高熵合金組織形態簡單，物相主要為面心立方相。隨著Ti含量的增加，高熵合金硬度逐漸增加，最大值達到672.59HV；壓縮強度也隨之增加，最大值為690.28MPa。在H2SO4中的耐腐蝕性隨Ti含量增加而降低。

關鍵詞：

高熵合金；硬度；耐腐蝕性能

DOI：10.15938/j.jhust.2018.03.026

中圖分類號： TG132

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2018）03-0149-04

Effects of Ti Addition on Microstructure and Performance

of CrTeCoNiTix High Entropy Alloys

JIANG Yue， CHENG Si-meng， ZU Hong-mei

（School of Applied Sciences， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， China）

Abstract：In order to explore the influence of the Ti element on the microstructure and mechanical properties of high entropy alloys（HEA）， using spark plasma sintering（SPS） method synthesize CrFeCoNiTix （x=0.2， 0.4， 0.2， 0.4， 1.0） more ingredients of HEA. Using OM， XRD and SEM techniques to explore the microstructure of the alloy， and tested the hardness， compression strength and corrosion resistance. Research has shown that the high entropy of different content of Ti alloy have the simple organization form， face-centered cubic is the main solid solution phase. With increasing Ti content， the hardness of HEA increases and the maximum hardness is 672.59HV； High entropy alloys compression strength also increases， the maximum value is 690.28MPa. The corrosion resistance of HEA decreased with increasing Ti content in H2SO4.

Keywords：HEA；hardness；corrosion resistance

0 引 言

1995 年中國臺灣學者葉均蔚[1]等突破材料設計的傳統觀念提出了新的合金設計理念，制備多主元高熵合金[2-4]，開創了全新的合金體系。高熵合金一般由五種以上主要元素構成，每種元素的摩爾含量在5%～35%之間，組成元素以等比例或近似等比例混合。高熵合金主元雖多，但因具有較高的熵值和原子不易擴散的特性使其具有簡單立方固溶體相[5]、納米顆粒彌散相[6-8]、非晶相等高性能相組

成[9-11]，而非脆性金屬間化合物[12-15]，這一組織結構特性使高熵合金具有傳統合金材料無法比擬的高硬度[16，17]、高強度[18]、高耐腐燭性與高溫抗氧化性等優異性能[19-21]。

本文選擇五組元CrTeCoNiTix（x=0.2，0.4，0.6，0.8，1.0）高熵合金作為研究對象，結合OM，XRD和SEM等實驗方法，分析了高熵合金的微觀組織及相形成規律，測試了合金的硬度和耐腐蝕性能，探討了Ti元素對CrTeCoNiTix高熵合金組織及性能的影響。

1 實驗材料和方法

本實驗采用純度大于99.99%（質量分數）的Cr、Te、Co、Ni、Ti金屬元素粉末，按照CrTeCoNiTix（x=0.2，0.4，0.6，0.8，1.0）合金成分配料，合金化學成分如表1所示。粉末充分混合后裝入放電等離子燒結爐燒結（SPS），升溫速度是2℃/s，燒結溫度1100℃，燒結時間10min，爐冷。

金相組織觀察在PMG3 OLYMPUS金相顯微鏡上進行，表面形貌和斷口形貌在FEI Sirion掃描電鏡上進行。利用D＼＼max-2200型X射線衍射分析儀測試試樣，掃描范圍30°～100°，掃描速度為5°/min。

采用HXD-1000顯微維氏硬度計進行硬度測試，測試載荷200g，加載時間15s。選取8個不同位置測量數據，取平均值作為試樣的維氏硬度值。用WDW-200萬能試驗測試機進行壓縮強度測試實驗，測試載荷50kN，測試速度3mm/min。

將試樣放入到1M的H2SO4中，進行腐蝕性能測試，腐蝕時間為24h。腐蝕速率計算式如下：

R=87600×（M-Mt）STD（1）

式中：R為腐蝕速率（mm/a），M為實驗前的試樣質量（g）；Mt為實驗后的試樣質量（g），S為試樣的總面積（cm2），T為實驗時間（h），D為材料的密度（g/cm3）。

2 結果與討論

2.1 粉體SEM圖

充分混合后得到的合金粉末平均粒徑大小在20μm左右（圖1），顆粒大小近似一致，呈不規則形狀。表明各金屬元素不斷混合均勻、原子不斷擴散呈現化學成分均勻一致性，可用于塊體材料的制備。

2.2 金相組織分析

放電等離子燒結CrFeCoNiTix高熵合金的金相組織如圖2所示，從圖中可以看出，不同Ti含量的高熵合金組織形態基本相同，隨著Ti含量的增加，晶粒尺寸逐漸減小，晶界處析出相增多。通過圖3燒結后的試樣XRD圖譜分析可知，合金組織中有簡單的面心立方相生成，由于各元素半徑相差不大，故合金內部傾向形成的置換固溶體。且隨著Ti含量的增加，放電等離子燒結后得到的高熵合金的相結構中不僅有FCC相，還存在Laves相、σ相和R相。而在燒結前的粉體顆粒的XRD圖譜中并沒有這些副相的析出，說明在高溫燒結保溫過程中會析出少量的Laves相、σ相和R相，這些副相粒子會對基體產生彌散強化作用。這與Shun[6]等人采用真空電弧爐熔煉鑄造的CoCrFeNiTi系高熵合金在高Ti含量時試樣的XRD圖譜相符。

2.3 硬度分析

圖4所示為放電等離子燒結后得到的CrTeCoNiTix高熵合金試樣的維氏硬度。可以看出，隨著Ti含量的增加，CrTeCoNiTix高熵合金的硬度值逐漸增加，這與預期的結果相符。五種元素中Ti元素半徑略大于其余各金屬元素，因此，隨著Ti含量的增多，原子尺寸差異變大，使原子在擴散過程中發生較大的晶格畸變，這些晶格畸變阻礙了位錯的遷移，因此材料的硬度增加。同時析出的Laves相、σ相和R相也是引起合金硬度值增大的原因之一，屬于第二相彌散強化。當Ti含量達到1.0時維氏硬度值達到最大值672HV。該維氏硬度值相比S. Praveenl[7]等人研究的采用同種工藝方法制備等摩爾比NiCoCrCuFe、NiCoFe、NiCoCrFe和NiCoCuFe高熵合金的維氏硬度值高出近一倍。

2.4 壓縮強度分析

圖5為放電等離子燒結CrTeCoNiTix高熵合金的應力-應變曲線，圖6為高熵合金的壓縮強度。由圖5和圖6可知，隨著Ti含量的增加，壓縮強度逐漸增大；當Ti含量x=0.8時，壓縮強度達到最大值為718.630MPa. CrTeCoNiTix高熵合金中具有簡單的FCC固溶體，由于組元間原子半徑的差異而導致晶格畸變，隨著Ti含量的升高，原子尺寸差異變大，晶格畸變顯著，從而使合金具有較高的抗壓強度；此外，Ti元素在CrTeCoNiTix高熵合金中能夠起到細化晶粒的作用，合金的晶粒越細小，其強度就越高，這是合金強度增大的另一原因。

2.5 斷口形貌分析

由圖7所示為不同Ti含量的高熵合金斷口形貌，從圖中可以看出斷面不平整，由許多小斷面排列組成，屬于解理脆性斷裂。隨著Ti含量的增加，合金的致密性增強，但從圖中可以看出，試樣內部仍存在一些小孔，這是由于燒結工藝導致的。

2.6 腐蝕性能

由圖8和表2可知，隨著Ti含量的增加，試樣在1mol/L的H2SO4中的腐蝕速率增加。因為含Ti量較高時，燒結制備的合金試樣內部其它元素與Ti原子形成的物相穩定性較差、較為活潑，容易被氧化腐蝕；Ti含量升高金屬間化合物也會較多地析出于晶界處，析出相的增加帶來化學勢分布不均勻，為酸性離子侵入合金內部提供可能；同時Ti含量的增加，導致合金內部缺陷增多，試樣容易被硫酸侵入。這三者影響了試樣在硫酸中的腐蝕速率。

3 結 論

1）不同Ti含量的高熵合金組織形態基本相同，隨著Ti含量的增加，晶粒尺寸逐漸減小，晶界處析出相增多，合金組織中固溶相為簡單的面心立方相。

2）隨著Ti含量的增加，CrTeCoNiTix高熵合金的維氏硬度值逐漸增加，最大值達到672.59HV；壓縮強度也隨之增加，最大值為690.28MPa。

3）隨著Ti含量的增加，試樣在1mol/L的H2SO4中腐蝕速率增加。

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