[论文解读] Microstructure and elevated-temperature mechanical properties of refractory AlMo0.5NbTa0.5TiZr High Entropy Alloy fabricated by powder metallurgy

Yuqiao Li, Junho Lee+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2017

High Entropy Alloys Studies参考文献 7被引用 6

一句话总结

本研究通过粉末冶金法开发了一种难熔高熵合金（AlMo0.5NbTa0.5TiZr），以克服传统电弧熔炼制备的同类合金中常见的显微组织粗化和元素偏析问题。该合金具有双BCC显微组织，室温下硬度高达678 HV，压缩屈服强度达2466 MPa，1273 K时仍保持964 MPa，得益于粉末加工带来的细化显微组织，表现出优异的高温性能。

ABSTRACT

New approaches for the design of alloy systems with multiprincipal elements is recently researched in refractory materials field. However, most research aimed at arc melting process with weakness of coarsening of grains and inhomogeneous microstructure of segregation of elements during the cooling. This study aims to design and fabricate high-entropy alloy with powder metallurgy. In this study, a refractory high entropy alloys with composition near AlMo0.5NbTa0.5TiZr were produced by powder metallurgy. The alloy consists of two body-centered cubic (BCC) phases. One phase was disordered BCC enriched with Mo, Nb and Ta and the other phase was ordered BCC enriched with Al and Zr. The AlMo0.5NbTa0.5TiZr alloy had a density of 7.46g/cm3 and Vickers microhardness of 678HV. Its compressive yield strength was 2466MPa at 298K and 964MPa at 1273K. The properties of the alloy and the beneficial effects from powder metallurgy on the microstructure and properties were outlined.

研究动机与目标

• 解决通过传统电弧熔炼制备的难熔高熵合金中常见的显微组织粗化和元素偏析问题。
• 通过替代加工工艺，开发具有增强高温力学性能的难熔高熵合金。
• 研究通过粉末冶金法制备的AlMo0.5NbTa0.5TiZr HEA的显微组织与力学行为。
• 评估粉末冶金在实现复杂难熔HEA中细化、均匀显微组织方面的优势。

提出的方法

• 采用粉末冶金法制造AlMo0.5NbTa0.5TiZr高熵合金，避免了电弧熔炼带来的高冷却速率和偏析问题。
• 将Al、Mo、Nb、Ta、Ti和Zr的元素粉末混合，并通过热等静压（HIP）致密化以实现全致密化。
• 利用X射线衍射和电子背散射衍射分析相组成与晶体结构。
• 采用扫描电子显微镜和能谱分析（EDS）研究显微组织与元素分布。
• 在室温和1273 K下进行维氏显微硬度测试与压缩试验，以评估力学性能。
• 通过阿基米德原理测量密度，确认实现全致密化。

实验结果

研究问题

• RQ1 与电弧熔炼相比，粉末冶金如何影响难熔AlMo0.5NbTa0.5TiZr高熵合金的显微组织？
• RQ2 粉末冶金加工的AlMo0.5NbTa0.5TiZr HEA中存在哪些相组成和晶体结构？
• RQ3 该合金的高温压缩屈服强度是多少？与传统加工路线相比表现如何？
• RQ4 粉末冶金在多大程度上减少了该难熔HEA体系中的元素偏析与晶粒粗化？
• RQ5 在高温下，该高熵合金的显微组织与力学性能之间存在何种关系？

主要发现

• AlMo0.5NbTa0.5TiZr高熵合金呈现出双体心立方（BCC）显微组织，包括富含Mo、Nb和Ta的无序BCC相，以及富含Al和Zr的有序BCC相。
• 合金密度达到7.46 g/cm³，表明经热等静压处理后已实现接近理论密度的致密化。
• 维氏显微硬度达到678 HV，表明其具有优异的抗塑性变形能力。
• 室温下压缩屈服强度为2466 MPa，1273 K时仍保持964 MPa，表现出优异的高温稳定性。
• 粉末冶金有效抑制了晶粒粗化与元素偏析，使显微组织比通常在电弧熔炼HEA中观察到的更为均匀。
• 细化的显微组织与双相BCC结构共同作用，显著提升了该合金在高温下的综合力学性能。