A10.5CoCrCu FeNi高熵合金热处理后对其显微组织与硬度影响研究

焦延博

摘要：在A10.5CoCrCuFeNi的高熵合金具体制备态中，主要包含两种FCC相，其中显微组织是典型树枝晶的形貌，在枝晶间分布着很多纳米粒子。当退火温度在500摄氏度-1000摄氏度时，高熵合金会析出少量的BCC相，伴随退火温度上升，会使得BCC相减少。本文通过实验的形式对此作了研究。

关键词：高熵合金；热处理；显微组织；硬度

多组元的高熵合金属于全新合金成分的设计概念，在合金成分之中包含不同等摩尔的主元，各种元素浓度为5%-35%。其打破传统成分设计的理念，把一种或是两种元素当做主要的成分，然后加入其它的微量元素，对性能与结构进行改进。近年来，关于高熵合金的研究与开发越发活跃，并且吸引了很多关注，就传统冶金原理的观点进行分析，在多种合金的元素凝固时，容易形成各种金属间的化合物与复杂有序相。而就高熵合金来看，因为异类原子的种类比较多，使得高熵合金存在严重晶格的畸变与扩散迟缓等效应，使高熵合金可以同时具备多种突出的性能，例如：耐磨、高强度、高硬度与韧性等，这在很大程度上拓展了高熵合金应用范围。

1试验材料与方法

通过高纯的Cu、A1、M、Co、Fe与Cr作原材料，其纯度都超过99.5%，根据M0.5CoCrCuFeNi/原子比行程合金成分的配料，同时于氩气保护条件下实施将合金熔体凝固与冷却在相应熔炼坩埚之中，获得包子状的合金锭，需要对每一个合金锭进行一次倒置重熔，确保成分均匀性。在完成熔炼以后，通过线切割，把试样制为10毫米x10毫米x3毫米尺寸，方便后续研究。在分析合金相结构时，通过xPert Pro MPDP型的x射线衍射仪器/XRD分析；分析显微结构时，通过XJZ-6A型光学的显微镜以及SUPRA55型的扫描电子显微镜/SEM进行分析；在分析成分时，通过扫描电子的显微镜上所附带Oxford-X-Max 50能谱的分析仪/EDS进行分析；在测试合金硬度时，通过DHV-1000型的显微硬度计进行测试，每一个试样都选择八个点，加载的荷载是4.9牛、加载的时间是15秒。

2结果分析

2.1制备态的合金显微组织

从制备态下高熵合金显微组织的照片中能够了解到，在高熵合金制备态中，显微组织主要是典型树枝晶的组织，通过枝晶间与枝晶构成。其中，在枝晶间分布着很多纳米的粒子，因为高熵合金迟滞扩散的效应，使得制备态下可以析出纳米晶与非晶。

不同区域中EDS的能谱分析具体结果如下：在纳米粒子区域Cr为6.5、A1为9.4、Cu为57.4、Ni为12.6、C0为7.3、Fe為6.8；在枝晶间Cr为6.1、A1为12.5、Cu为55.4、Ni为13.3、C0为6.5、Fe为6.3；在枝晶Cr为22.5、A1为6.8、Cu为9.1、Ni为17.4、Co为22.0、Fe为22.2。经上述分析能够得出Ni的元素分布相对平均，而Cu元素集中在枝晶间，Fe、Co与Cr元素集中在枝晶。

相关研究中指出，Cu元素和Fe、Co与Cr元素有较大混合焓，其结合力不强，凝固初期会被排斥至枝晶间的区域。因为高熵的效应，系统混合熵比金属间的化合物混合熵大，各个元素固溶不够均匀。所以在晶胞中构成组织的偏析，会导致金属间的化合物形成进行抑制，使得简单的晶体结构形成，通常cu元素会有一定量固溶于树枝晶中，Fe、Co与Cr元素同样会部分融入到富铜枝晶间中。在枝晶间所析出纳米粒子和枝晶间相成分比较接近，证明两者的结构一样。与XRD的分析结合可以看出，高熵合金树枝晶中ECC1相与e3Ni2的结构比较类似，枝晶间ECC2相与FeCu4的结构比较类似。

2.2退火温度对于A10.5CoCrCuFeNi的高熵合金硬度与显微组织影响

2.2.1退火温度在A10.5CoCrCuFeNi的高熵合金中硬度方面产生的影响

从A10.5CoCrCuFeNi的高熵合金退火态试样与制备态硬度图中能够看出，在退火以后合金硬度均都比制备态硬度大，伴随退火温度逐渐升高，当温度处于700摄氏度以内时，合金硬度呈上升趋势，700摄氏度达到最大值，即为314HV0.5，温度为800摄氏度时开始降低，到了100摄氏度又开始增大。合金硬度变化是因为各种温度退火以后，合金析出BCC相的含量存在差异，致使析出强化的效果存在不同，在100摄氏度时，合金中的BCC含量虽然微小与枝晶相对粗化，然而枝晶间所析出针状物有析出强化的效果，所以与900摄氏度退火合金相比，不仅不会降低硬度，而且会提高硬度。

2.2.2退火温度对于A10.5CoCrCuFeNi的高熵合金中显微组织影响

从不同温度条件下退火以后的A10.5CoCrCuFeNi的高熵合金XRD图谱中不难看出，在退火以后，在700摄氏度温度条件下，合金逐渐析出少量的BCC相，并且伴随退火温度上升，BCC相峰强呈现出渐渐降低的趋势，FCC1相峰强则会伴随退火温度升高而上升，当温度在600摄氏度以内时，会渐渐的增强，当温度到达700摄氏度时会降低，温度到达900摄氏度会增加到最强，在1000摄氏度时则会降到最低。在700摄氏度以内，FCC2相峰强也呈现出逐渐加强的趋势，在800摄氏度出现下降，到了900摄氏度会升到最大，在1000摄氏度时，会假象。通常情况下，峰强变化既和相含量有联系，又和热处理以后因为元素扩散所致晶格畸变的程度大小相关，如果畸变的程度比较大，那么对于XRD的衍射线散射越强，衍射峰的强度越低。

另外，从各种温度条件下退火以后A10.5 CoCrCuFeNi的高熵合金金相的显微图中能够了解到，当退火温度处于500摄氏度-1000摄氏度时，合金组织的形貌比较相似，都是典型树枝晶的组织。当退火温度上升时，在1000摄氏度以下，合金枝晶尺寸没有显著的变化，如果温度为1000摄氏度，枝晶会发生明显的粗化。当退火温度为700摄氏度时，合金枝晶间的组织会析出棉絮状的物质，按照XRD的数据分析可知，这种物质是BCC相，在退火温度为800摄氏度与900摄氏度时BCC相会减少，当退火温度为1000摄氏度时，几乎见不到BCC，合金的枝晶间所析出针状物质宽度在1微米左右。因为退火温度1000摄氏度时，合金只析出少量的BCC相，未析出其他的新相，所以推导得出这种针状物质是和枝晶间的相结构一样的富Cu FCC2相。

3结论

在A10.5CoCrCuFeNi的高熵合金具体制备态中，主要包含两种FCC相，其中显微组织是典型树枝晶的形貌，在枝晶间分布着很多纳米粒子。当退火温度在500摄氏度1000摄氏度时，高熵合金会析出少量的BCC相，伴随退火温度上升，会使得BCC相减少。此外，和其他制备的方法比起来，通过真空感应悬浮熔炼方法所致合金的硬度比较高，并且高熵合金有着较好的热稳定性，即便在800摄氏度下，通过水冷、炉冷与空冷以后，相结构和硬度都维持着一定稳定性。