AlCrFeNi2Cux高熵合金组织及性能*

杨思华， 李承泽， 张宇峰， 曲迎东

(沈阳工业大学 材料科学与工程学院， 沈阳 110870)

20世纪90年代，Yeh等[1]和Cantor等[2]提出了由5种及以上主要元素按照等摩尔比或近似等摩尔比组成的高熵合金这一新合金品种[3]，由于具有简单的晶体结构、优异的综合性能，因而高熵合金受到各国学者的广泛关注[4-7].CoCrFeNi系高熵合金易形成单一面心立方组织，再辅以元素成分、种类调整可控制其组织为FCC+BCC或形成合金相，从而实现性能调节.Liu等[8]研究发现，CoCrFeNiMo0.3中的σ相和μ金属间化合物大幅度提高了合金强度但并未造成强烈的脆化现象.文献[9]研究表明，Cu含量的增加可使CuxCr2Fe2Ni3Mn2Nb0.4Mo0.2高熵合金的微观组织从FCC+BCC混合组织转变为单一的FCC组织，且合金的耐蚀性随Cu含量的增加先升高后降低.郝聪敏等[10]研究表明，AlFeCrCoTiCux(x=0.5，0.75，1.0)高熵合金的晶间FCC2相和析出相随Cu含量的增加而逐渐增多，并在1 050 ℃左右析出晶间富Cu(FCC2)相.文献[11]研究了时效处理对CuxCrFeNiAl(x=0，0.2，0.5，1.0，2.0)高熵合金组织与硬度的影响，结果表明，同一时效工艺下当Cu含量不同时，合金的显微组织也不同.

综上所述，Cu含量对AlCrFeNi系高熵合金影响的研究已见文献报道，但目前Cu含量对AlCrFeNi系高熵合金影响的研究仅聚焦于热处理工艺方面.AlCrFe2Ni2是一种共晶高熵合金，具有优异的综合力学性能，其断裂拉应力为944 MPa，伸长率为25.6%.本文在AlCrFe2Ni2高熵合金的基础上，采用Cu元素代替Fe元素，以降低合金的整体脆性，并以AlCrFeNi2Cux(x=1.2，1.4，1.6，1.8)为研究对象，通过改变Cu元素的含量，来研究Cu含量添加对高熵合金组织与性能的影响规律.

1 材料与方法

试验原料为Al、Cr、Fe、Ni、Cu，其纯度均高于99.9%.按照摩尔比配置AlCrFeNi2Cux(x=1.2，1.4，1.6，1.8)四组合金.采用WK-Ⅱ型非自耗真空电弧炉制备60 g合金铸锭.将电弧炉抽真空后充入高纯氩气至压力为0.05 MPa，反复熔炼4～5次，直到熔化的金属元素具有良好的流动性，以减少凝固过程中的偏析.采用电火花线切割方法切出尺寸为10 mm×10 mm×2 mm的方形试样，并将其用于组织观察与硬度测试，同时制备φ4 mm×6 mm的圆柱体试样，并将其用于压缩试验.

2 结果与分析

2.1 AlCrFeNi2Cux高熵合金的组织结构

图1为AlCrFeNi2Cux高熵合金的XRD图谱.利用Jade软件对XRD衍射峰进行分析后发现，高熵合金主要由简单的FCC相和BCC相组成.随着Cu含量的增加，高熵合金中相的衍射峰强度发生明显变化.当x从1.2增加到1.4时，高熵合金在42°位置处的FCC衍射峰强度与45°位置处的BCC衍射峰强度大幅度降低，而在50°位置处的FCC衍射峰强度增大.当x从1.4增加到1.6时，高熵合金中的FCC与BCC衍射峰强度进一步降低.当x从1.6增加到1.8时，高熵合金中的BCC衍射峰强度变化不大，而FCC衍射峰强度明显增大.综合可知，随着Cu元素含量的增加，高熵合金基体中的FCC相数量逐渐增多，而BCC相含量则相应减少.

图1 AlCrFeNi2Cux高熵合金的XRD图谱Fig.1 XRD spectra of AlCrFeNi2Cux high entropy alloys

图2为AlCrFeNi2Cux(x=1.2，1.4，1.6，1.8)高熵合金的微观组织.图2a中Ⅰ和Ⅱ区域分别为白色和黑色枝晶区域.由图2可以很清晰地看到四组合金均为由白色和黑色枝晶区域构成的典型树枝晶结构.当Cu元素含量逐渐增加时，高熵合金微观组织中的黑色枝晶区域所占比例变小，而白色枝晶区域数量逐渐增多.

图3为AlCrFeNi2Cu1.2高熵合金的元素分布图.由图3可以看出，白色枝晶区域主要为Fe-Cr富集区，而黑色枝晶区域则为Al-Ni富集区.结合XRD衍射结果可知，FCC相数量随着Cu含量的增加而逐渐增加，因此，可以得出结论：白色Fe-Cr区为FCC结构，而黑色Al-Ni区则为BCC结构.

图2 AlCrFeNi2Cux高熵合金的微观组织Fig.2 Microstructures of AlCrFeNi2Cuxhigh entropy alloys

图3 AlCrFeNi2Cu1.2高熵合金的元素分布Fig.3 Element distribution of AlCrFeNi2Cu1.2high entropy alloy

图4为AlCrFeNi2Cux高熵合金的微观组织和元素分布对比图.由图4可以看出，当Cu元素含量较低时，Cu富集于白色区域；随着Cu元素含量的增加，Cu元素不断析出，逐渐呈现聚集趋势并包裹着树枝晶.当x为1.4、1.6时，各树枝晶之间发生了蔓连，枝晶变得愈发发达、粗大.在混合焓的作用下Cu元素更易于与高熵合金中的Al元素结合，由于Cu元素与高熵合金中其他元素的混合焓为正值，因此，当高熵合金中的Cu含量较低时，可以观察到组织中的Cu元素包裹着树枝晶.此外，当x继续增加至1.8时，枝晶间出现了Cu元素的大量偏析，这会对合金性能造成负面影响.

图4 AlCrFeNi2Cux高熵合金的微观组织和Cu元素分布对比

Fig.4 Comparison between microstructures and Cu element distribution of AlCrFeNi2Cuxhigh entropy alloys

2.2 AlCrFeNi2Cux高熵合金的力学性能

图5 AlCrFeNi2Cux高熵合金的室温压缩性能曲线Fig.5 Compressive performance curves of AlCrFeNi2Cuxhigh entropy alloys at room temperature

图6为AlCrFeNi2Cux高熵合金的硬度测试结果.由图6可以看出，随着Cu含量的增加，高熵合金硬度呈先上升后降低的趋势.当x为1.6时，合金硬度达到最大值372 HV.结合图1、2可知，随着Cu含量的增加，高熵合金中形成了更多数量的面心立方结构相，这本应该促使合金硬度降低，但由于Cu元素聚集于枝晶间位置，起了钎焊剂的作用，因而降低了合金的脆性[12]，故而合金的硬度呈现先升后降的特征.

图6 AlCrFeNi2Cux高熵合金的硬度Fig.6 Hardness of AlCrFeNi2Cux high entropy alloys

以上研究表明，在AlCrFeNi2Cux(x=1.2，1.4，1.6，1.8)高熵合金中，当x为1.6时，高熵合金具有较好的综合力学性能，其抗压强度、屈服强度、塑性应变量和维氏硬度分别为2 256 MPa、891 MPa、35.6%和372 HV.

3 结 论

通过以上试验分析可以得到如下结论：

1) AlCrFeNi2Cux(x=1.2，1.4，1.6，1.8)高熵合金主要由简单FCC相(Fe-Cr相)与BCC相(Al-Ni相)组成，且随着Cu含量的增加，FCC相的数量也随之增加.

2) 当Cu含量较低时，Cu富集于枝晶间；随着Cu含量的增加，Cu元素不断析出，并呈现聚集趋势包裹着树枝晶，当x增至1.8时，这种偏聚包裹现象更为明显.

3) AlCrFeNi2Cux高熵合金的压缩性能和硬度均随Cu元素的添加呈现先上升后下降的趋势，当x为1.6时，高熵合金综合性能最佳，其抗压强度、屈服强度、塑性应变量和维氏硬度分别为2 256 MPa、891 MPa、35.6%和372 HV.