王 奪，李 文，付華萌

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159；2.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)金屬研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110016)

CoCrFeNiCu2Snx高熵合金的微觀組織與性能

王 奪1，李 文1，付華萌2

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159；2.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)金屬研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110016)

利用銅模澆鑄的方法制備了CoCrFeNiCu2Snx(摩爾比：x=0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0)高熵合金，研究了Sn的含量對(duì)合金組織結(jié)構(gòu)和性能的影響。利用XRD、SEM和EDS分析了高熵合金的相結(jié)構(gòu)、微觀組織和成分分布，測(cè)試了高熵合金的顯微硬度和壓縮性能。結(jié)果表明，當(dāng)x=0.2，0.4和0.6時(shí)，CoCrFeNiCu2Snx合金的組織形貌沒(méi)有發(fā)生明顯的改變，但在合金中形成了一種Sn含量較高、新的FCC3結(jié)構(gòu)相，合金由FCC1、FCC2和FCC3三種面心立方的相構(gòu)成；當(dāng)x=0.8和1.0時(shí)，合金的形貌依然為枝晶狀，但FCC2結(jié)構(gòu)相幾乎完全轉(zhuǎn)變?yōu)楦籗n的FCC3結(jié)構(gòu)相，合金中只有FCC1和FCC3兩種結(jié)構(gòu)相。合金的屈服強(qiáng)度和顯微硬度隨著Sn元素含量的增加而提高，當(dāng)x=1.0時(shí)，合金的屈服強(qiáng)度和顯微硬度均達(dá)到最高值，分別為1102MPa和391HV。

高熵合金；微觀組織；壓縮性能；顯微硬度

高熵合金是由五種或五種以上金屬元素或金屬元素與非金屬元素組合形成的一種新型合金系統(tǒng)。高熵合金的每種元素都是主要元素，介于5%～35%之間[1-2]。主元數(shù)的增多并沒(méi)有像傳統(tǒng)合金那樣形成多種金屬間化合物和復(fù)雜相，相反由于較高的混合熵使合金更容易形成簡(jiǎn)單的BCC、FCC或BCC+FCC結(jié)構(gòu)，甚至非晶；同時(shí)可能伴有晶間細(xì)小化合物生成，甚至在鑄態(tài)就會(huì)析出納米晶[3-5]；從而起到固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化效果，使高熵合金比傳統(tǒng)合金具有較好的力學(xué)性能[6-7]，因此，高熵合金具有廣闊的應(yīng)用前景。本文通過(guò)改變Sn元素含量來(lái)研究CoCrFeNiCu2Snx(x=0，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0)高熵合金的微壓縮性、觀組織能與顯微硬度的變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

本實(shí)驗(yàn)選取純度不低于99.9wt%的Co、Cr、Fe、Ni、Cu和Sn六種金屬元素，按摩爾比配制CoCrFeNiCu2Snx(x=0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0)高熵合金，在氬氣的保護(hù)下利用電弧爐熔煉合金。為了保證合金錠成分的均勻性，每個(gè)合金錠至少熔煉4次，且每次熔煉時(shí)都進(jìn)行電磁攪拌。再稱取一定量的合金錠在高真空下利用感應(yīng)熔煉澆注設(shè)備澆鑄成φ5mm×50mm的高熵合金柱狀樣品。利用XRD、SEM和EDS技術(shù)分析高熵合金的相結(jié)構(gòu)、微觀組織和成分分布。在1×10-4s-1的應(yīng)變速率下測(cè)試合金的壓縮性能，在200g力的載荷下，加載15s，測(cè)量合金的顯微硬度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 CoCrFeNiCu2Snx合金的相結(jié)構(gòu)

圖1為CoCrFeNiCu2Snx高熵合金的X射線衍射譜?？梢?jiàn)當(dāng)x=0時(shí)，合金由FCC1和FCC2兩種結(jié)構(gòu)構(gòu)成；隨著Sn元素的加入，合金中形成了一種新的FCC3結(jié)構(gòu)，且FCC2結(jié)構(gòu)的衍射峰向左發(fā)生了偏移；當(dāng)x=0.2，0.4和0.6時(shí)，合金由FCC1、FCC2和FCC3三種面心立方結(jié)構(gòu)構(gòu)成；當(dāng)x=0.8和1.0時(shí)，F(xiàn)CC2結(jié)構(gòu)衍射峰強(qiáng)度完全消失，僅僅留下了FCC1和FCC3兩種結(jié)構(gòu)。

圖1 CoCrFeNiCu2Snx合金的X射線衍射譜

2.2 CoCrFeNiCu2Snx合金的微觀組織

圖2為CoCrFeNiCu2Snx合金的背散射照片。可見(jiàn)CoCrFeNiCu2Snx合金的組織形貌為典型的枝晶組織。當(dāng)x=0時(shí)，圖2a顯示合金由A相和B相構(gòu)成；當(dāng)x=0.2，0.4和0.6時(shí)，圖2b、圖2c和圖2d顯示隨著Sn元素的添加，在枝晶間的B相中析出一種新的白色相C，隨著Sn含量的逐漸增加，C相所占的體積分?jǐn)?shù)逐漸增多，而B相的體積分?jǐn)?shù)逐漸減少；當(dāng)x=0.8和1.0時(shí)，圖2e和圖2f顯示B相完全消失，完全由C相取代，而A相的體積分?jǐn)?shù)幾乎不變。結(jié)合XRD衍射結(jié)果分析，A、B和C相分別對(duì)應(yīng)FCC1、FCC2和FCC3結(jié)構(gòu)。組織形貌照片的分析結(jié)果與XRD衍射結(jié)果相一致。經(jīng)過(guò)EDS分析可知，B和C相中Cu元素含量較高，而C相中的Sn元素含量最高。

2.3 CoCrFeNiCu2Snx合金的力學(xué)性能

圖3為CoCrFeNiCu2Snx合金的壓縮真應(yīng)力-應(yīng)變曲線。可見(jiàn)經(jīng)歷了彈性變形階段后，合金發(fā)生屈服并呈現(xiàn)出一定程度的加工硬化能力，合金經(jīng)過(guò)20%的壓縮變形后仍然沒(méi)有發(fā)生斷裂，表現(xiàn)出良好的塑性變形行為。圖4a和圖4b分別為CoCrFeNiCu2Snx合金的屈服強(qiáng)度和顯微硬度與Sn元素含量的關(guān)系。可見(jiàn)，合金的屈服強(qiáng)度和顯微硬度隨著Sn含量的增加而提高。當(dāng)x=1.0時(shí)，CoCrFeNiCu2Sn1.0合金的屈服強(qiáng)度和顯微硬度最高，分別為1102MPa和391HV。合金屈服強(qiáng)度和顯微硬度的提高主要?dú)w因于添加Sn元素導(dǎo)致的固溶強(qiáng)化作用。

圖2 CoCrFeNiCu2Snx合金的掃描電鏡背散射圖片

圖3 CoCrFeNiCu2Snx合金系的壓縮真應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4 CoCrFeNiCu2Snx合金的屈服強(qiáng)度和顯微硬度與Sn元素含量的關(guān)系

3 結(jié)論

(1)CoCrFeNiCu2Snx合金為典型的枝晶組織。隨著Sn元素的加入，當(dāng)x=0.2，0.4和0.6時(shí)，合金中出現(xiàn)了一種富Sn的FCC3結(jié)構(gòu)相，此時(shí)合金由FCC1、FCC2和FCC3三種面心立方結(jié)構(gòu)相構(gòu)成；隨著Sn元素含量的增加，F(xiàn)CC2結(jié)構(gòu)相的體積分?jǐn)?shù)越來(lái)越少；當(dāng)x=0.8和1.0時(shí)，F(xiàn)CC2結(jié)構(gòu)完全被FCC3結(jié)構(gòu)取代，合金中只有FCC1和FCC3兩種相結(jié)構(gòu)。

(2)CoCrFeNiCu2Snx合金的屈服強(qiáng)度和顯微硬度隨著Sn元素含量的增加而提高，當(dāng)x=1.0時(shí)，合金的屈服強(qiáng)度和顯微硬度分別達(dá)到1102MPa和391HV。

[1]歐子義，王春偉，唐建江.高熵合金的最新研究進(jìn)展[J].材料熱處理技術(shù)，2010，(22)：43-45.

[2]梁秀兵，魏敏，程江波，等.高熵合金新材料的研究進(jìn)展[J].材料工程，2009，(12)：75-76.

[3]郭衛(wèi)凡.多主元高熵合金的研究進(jìn)展[J].金屬功能材料，2009，16(1)：49-53.

[4]Zhang K B，F(xiàn)u Z Y，Zhang J Y，et al.Microstructure and mechanical properties of CoCrFeNiTiAlx high-entropy alloys [J].Mater Sci Eng A，2009，(508)：214-219.

[5]祝金明.Si、C、Cu、和Mo元素對(duì)AlCoCrFeNi高熵合金結(jié)構(gòu)與性能的影響[D].沈陽(yáng)：中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，2011.

[6]Yeh J W，Chen S K，Lin S J，et al.Nanostructured high-entropy alloys with multi-principal elements-novel alloy design concepts and outcomes[J].Adv Eng Mat，2004，(6)：299-303.

[7]葉均蔚，陳瑞凱，林樹均.高熵合金的發(fā)展概況[J].工業(yè)材料，2005，(224)：71-79.

TheMicrostructureandPropertiesofCoCrFeNiCu2SnxHigh-entropyAlloys

WANG Duo1，LI Wen1，F(xiàn)U Huameng2

(1.Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China；2.Institute of Metal Research，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110016，China)

CoCrFeNiCu2Snx(x=0，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0) high-entropy alloys were prepared using copper mold casting,the effects of Sn content on microstructure and properties were investigated.The phases,microstructures and compositions of the alloy were analyzed using XRD,SEM and EDS techniques.The compressive properties and microhardness of the alloys were measured.The results showed that,when Sn content varied from 0.2 to 0.6 mol,the structures of the alloys still were dendrites and the alloy was composed of FCC1,FCC2 and FCC3 phases.When Sn contents are 0.8 and 1.0 mol,FCC2 phase disappeared and only FCC1 and FCC3 phases exist in the alloys.The yielding strength and microhardness increased as the Sn content increased.When Sn content is 1.0 mol,they reach the maximum value of 1102MPa and 391HV.

high-entropy alloy；microstructure；compressive property；microhardness

2013-12-12

王奪(1987—)，男，碩士研究生；通訊作者：李文(1964—)，女，教授，博士，研究方向：材料的微觀組織和性能.

1003-1251(2014)04-0030-04

TG146

A

馬金發(fā))