凝固速率对AlCoNiCrFe合金组织结构及性能的影响

吴兴财，张伟强，娄长胜，李 文，付华萌

(1.沈阳理工大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳 110159;2.中国科学院沈阳金属研究所，辽宁沈阳 110016)

近年来，自从台湾学者叶筠蔚教授提出了一种全新的合金设计理念即高熵合金［1-2］以来，由于高熵合金具有不同寻常的晶体结构和特性，而受到越来越多研究者的关注。高熵合金也称为多主元高熵合金，其主要元素至少为5，其中每个元素都具有较高的原子分数，其原子分数为5% ～35%，高熵合金因主元数较多而表现出多主元主导的特点［3］。高熵合金因具有高混合熵(其混合熵高于1.69R，R为气体常数)，抑制了脆性金属间化合物的出现，而形成简单的体心立方或面心立方结构甚至是非晶化［4］，相对于传统合金而言，高熵合金所得的相数远远低于平衡相率所预测的数目。高熵合金具有传统合金所不具备的特性和优势，例如:高硬度、高耐磨性、高强度、耐回火软化等特性［5-7］。因此高熵合金具有广阔的潜在的应用前景，例如:高尔夫球头、模具、高温工具、变压器铁芯和高速切削刀具等［8-9］。本文通过真空电弧熔炼炉制备了AlCoNiCrFe高熵合金，并应用铜模喷铸法，浇铸直径分别为5mm和2mm以及姆合金锭来研究该合金在不同凝固状态下的组织结构及性能的影响。

1 实验材料及方法

本实验采用纯度高于99.9%的Fe、Al、Cr、Co、Ni单质元素为原材料，按照等摩尔原子比例进行配置合金。将配置好的合金在WCE 300型钨极磁控电弧炉中进行熔炼，熔炼时抽真空至3.0×10-3Pa以上，为了保证合金成分均匀，每个合金锭的正反面都反复熔炼，且熔炼4次以上。为了探讨凝固速率对AlCoNiCrFe高熵合金的组织结构及性能的影响，选择以下三种凝固速率后的试样，一是熔炼后的母合金锭，二是通过铜模喷铸法将合金浇铸成直径分别为5mm和2mm的棒状试样，其凝固速率大小为母合金锭＜直径为5mm的试样＜直径为2mm的试样。将母合金锭切成小块，将喷铸成直径为5mm和2mm的合金棒切成8mm长度的试样，对试样进行XRD分析，扫描角度为20°～100°。用王水(HCl∶HNO3=3∶1)腐蚀后进行金相分析。利用线切割将母合金锭切成Ф5mm×10 mm的压缩试样，喷铸成直径为5mm和2mm的试样，用线切割分别切割成10mm长度的压缩试样，用INSTRON5582电子万能材料试验机进行压缩性能测试，应变速率为5×10-3s-1。用F200进行硬度测试，加载载荷为5kgf，负载时间为5s，选取不同部位测试7个点，取其平均值作为硬度值。

2 实验结果与分析

2.1 合金的晶体结构

图1为AlCoNiCrFe高熵合金在三种不同凝固速率下的X衍射图。经衍射花样的标定，结果表明合金在三种凝固速率下的晶体结构为BCC结构。右图为主峰(110)局部放大图，从图中可知，合金的凝固速率越大，衍射峰的位置逐渐往左移动，衍射峰的宽度逐渐变宽，而衍射峰的强度则逐渐减小。根据布拉格衍射定律可知，合金的衍射峰往左移动，晶面间距变大，合金的晶格常数则逐渐增大，经过计算三种凝固速率下的晶格常数合金锭为2.8729Å，Φ5mm 合金为2.8773Å，Φ2mm 合金为2.8861Å。这是因为合金的凝固速率越大，合金凝固时固溶在晶格中的原子来不及扩散析出，越易形成过饱和固溶体，造成合金晶格畸变，凝固速率越高合金晶格畸变越大所致。

图1 AlCoNiCrFe合金在不同凝固速率下的X射线衍射图谱

2.2 合金的显微组织

图2为AlCoNiCrFe高熵合金在三种凝固状态下的金相照片。图2a为合金熔炼后的母合金锭，从图2a中可以看出合金生成的晶粒较粗大，晶界清晰可见，其晶粒大小约为40～150um。合金在熔炼时由于合金凝固时的温度较高，故而合金的冷却速度较慢，合金凝固时发生“稳态相变”，合金形核后，具有充分的时间长大，导致生成的晶粒粗大。图2b为AlCoNiCrFe高熵合金喷铸成直径为5mm的棒状试样，从图2b中可以看出合金由于5mm的合金棒状直径较小，合金凝固时容易通过合金壁向外界散热，导致凝固速率较高，生成典型的“梅花”状数枝晶，其直径大小约为10～70um，部分数枝晶的形态较完整。从图2b中还能观察到合金生成的一次枝晶、二次枝晶、甚至三次枝晶，且图中已经看不出晶界。图2c为AlCoNiCrFe高熵合金喷铸成直径为2mm的合金棒状试样，合金的直径比直径为5mm的小，因此合金的冷却速率较直径为5mm的合金棒状试样高，合金的组织也为“梅花”状数枝晶，数枝晶大小明显较图2b中的树枝晶小，其大小约为5～20μm，树枝晶的分布较均匀。液相金属在凝固过程中分别经过形核和长大过程，凝固速率越高，其形核率越高，生成的晶粒则细小。

图2 不同凝固速率AlCoNiCrFe后的OM照片

2.3 对合金性能的影响

图3为AlCoNiCrFe高熵合金在三种不同凝固速率状态下的真应力-真应变曲线图。

图3 不同凝固速率AlCoNiCrFe的室温真应力-真应变曲线图

由图3可知，合金的最大压缩强度喷铸成直径为2mm的合金其抗压强度最大为2580MPa，其次为喷铸成直径为5mm的合金为2300MPa，母合金的最大压缩强度最低为2240MPa。表1为合金不同凝固速率后的力学性能值，从表1可看出合金的凝固速率越高其压缩强度也越高。直径为2mm的合金试样其塑性最大为38.1%，而直径为5mm的合金试样最低为32.9%。合金的硬度随凝固速率的升高而增大，直径为2mm的合金试样比母合金锭提高了13.6%。合金的力学性能表明，合金的凝固速率越高合金的综合力学性能越好，这跟合金生成的晶粒大小有很大关系，根据霍尔佩奇公式可知晶粒越小合金的强度、硬度越高。

表1 不同凝固速率AlCoNiCrFe合金的力学性能

3 结论

通过对AlCoNiCrFe高熵合金选择三种不同凝固状态下的试样，来考察在三种凝固速率下对Al-CoNiCrFe高熵合金组织结构及性能的影响，得出如下结论:

(1)合金在三种凝固速率下其晶体结构为BCC结构，凝固速率不同影响合金的晶格常数，凝固速率越高合金的晶格常数越大;

(2)不同凝固速率影响合金的显微组织形貌，母合金的晶粒粗大，喷铸后的合金生成梅花状的树枝晶，合金的晶粒大小随凝固速率的升高而减小;

(3)合金的压缩强度、硬度随凝固速率的升高而升高，在三种凝固速率下喷铸成直径为2mm的合金试样其综合力学性能较好，其硬度提高了13.6%，其塑性最大，母合金的塑性则介于二者之间。

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