【正文】 m/s 圖 35為 1 μm/s生長速度下試樣淬火固 /液界面放大 1000倍后所觀察到的微觀組織。 河南理工大學(xué) 2021 級(jí)材料成型及控制工程專業(yè) 畢業(yè)實(shí)習(xí)報(bào)告 院系：材料科學(xué)與工程學(xué)院 專業(yè)：材料成型及控制工程 班級(jí)： 05 3 班 姓名：王東升 學(xué)號(hào)： 050 903032 1 時(shí)間： 2021 年 4 月 圖 31 FeCoNiCrAl合金鑄態(tài) XRD圖譜 河南理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)論文 27 Fig. 31 XRD patterns of the FeCoNiCrAl alloy in the ascast condition 圖 32為 FeCoNiCrAl合金的鑄態(tài)組織，為典型的樹枝晶。 河南理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)論文 26 第 3 章 FeCoNiCrAl 合金 定向凝固組織演化規(guī)律 引言 傳統(tǒng)合金的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)認(rèn) 為，合金元素種類較多時(shí)會(huì)產(chǎn)生多種金屬間化合物，不但難以分析而且材質(zhì)變脆，缺乏應(yīng)用性。在凝固一定長度后，進(jìn)行快淬處理以保留固液界面，以便觀察組織形態(tài)的變化。 (4)按 Ctr+S 完成數(shù)據(jù)采集。正常的校正可以根據(jù)用戶設(shè)定的校正參數(shù)來調(diào)整信號(hào)。500 mV、 177。該系統(tǒng)的核心部分是 ADAM4018 八信道熱電偶數(shù)據(jù)模塊和 ADAM4520 RS232/RS485 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。而料棒加熱熔化通過下拉桿固定不動(dòng)，上送料桿夾緊熱電偶在熔體中向下運(yùn)動(dòng)，從而可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)測溫直到固液界面為止。由于金相試樣比較小，在用牙托 粉進(jìn)行鑲嵌時(shí)，要注意底部的平整。 實(shí)驗(yàn)方法 實(shí)驗(yàn)合金及金相試樣的制備 實(shí)驗(yàn)使用純度為 %的鈷、 %的鎳、 %鋁和 %Cr 合金為原材料，經(jīng)洗滌烘干后，制作 FeCoNiCrAl 五元合金。加熱系統(tǒng)所輸入的熱量只有通過冷卻區(qū)才能形成單向熱流。 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 多功能電磁加熱區(qū)熔定向凝固裝置是一種將熔煉、連續(xù)鑄造和定向凝固結(jié)合在一起的連續(xù)定向凝固實(shí)驗(yàn)設(shè)備。高熵合金可以采用傳統(tǒng)的熔鑄、鍛造、粉末冶金、噴涂法及鍍膜法來制成塊體材料、涂層或薄膜等形式，因此在傳統(tǒng)合金工業(yè)的升級(jí)及高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方面極具發(fā)展?jié)摿?[3]。表 14為鑄態(tài) CoCrFeNiTiAlx高熵合金的室溫壓縮性能，圖 114為鑄態(tài) CoCrFeNiTiAlx高熵合金斷面形貌。將 AlxTiVCrMnFeCoNiCu(x=0， 1， 2， 5)分別用 Al0、 Al Al2和 Al5來表示，圖 110為 Al0、 Al Al2和 Al5合金室溫壓縮真應(yīng)力 真應(yīng)變曲線，圖 111為 Al0、 Al Al2和 Al5合金枝晶、枝晶間隙顯微硬度，表 13為 Al0、Al Al2和 Al5合金室溫壓縮性能。結(jié)果表明： Al含量為零時(shí)，合金為 fcc， bcc， σ相和非晶相等多相共存；隨著 Al含量的增加，合金微觀組織趨于簡單，當(dāng) x=20時(shí)，合金中只有 bcc簡單固溶體；但當(dāng) Al含量繼續(xù)增加到 x=40時(shí)，合金中開始出現(xiàn) Al3Ti等金屬間化合物；多組元合金的高混合熵效應(yīng)能夠有效抑制金屬間化合物等復(fù)雜相的析出，有助于簡單固溶體的形成 ， 使該合金系的 相 數(shù) 低 于由 Gibbs 相 律 所 定的 最 大平 衡 相 數(shù)。圖 14為 AlCrCuFeNi高熵合金河南理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)論文 10 的鑄態(tài)組織，為典型的樹枝晶，圖 15是 SEM的能譜分析 (EDS)結(jié)果 。隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的改進(jìn)和人們的努力，新一代定向凝固技術(shù)必將更進(jìn)一步為提高材料的使用性能作出貢獻(xiàn) [14]！ 河南理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)論文 9 多主元高熵合金研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景 多主元高熵合金研究現(xiàn)狀 多主元高熵合金自 1995 年提出以來，已在全世界金屬領(lǐng)域中形成一種全新的合金，并取得了一系列的成果。綜上所述， 1G 一定時(shí)，隨著 R 的增大，界面轉(zhuǎn)變情況為：平面狀→胞狀→胞狀枝晶→樹枝狀→細(xì)化胞狀→帶狀→平面狀。上式中： 1G 為固液界面前沿液相中的溫度梯度， R 為凝固速度 ， △ 0T 為結(jié)晶溫度間隔，1D 為液相擴(kuò)散系數(shù)。 目前，定向凝固技術(shù)的最主要應(yīng)用是生產(chǎn)具有均勻柱狀晶組織的鑄件，特別是在航空領(lǐng)域生產(chǎn)高溫合金的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，與普通鑄造方法獲得的鑄件相比，它使葉片的高溫強(qiáng)度、抗蠕變和持久性能、熱疲勞性能得到大幅度提高。 根據(jù)合金凝固特性選擇適當(dāng)?shù)募す夤に噮?shù) ， 以獲得胞晶組 織 。 該技術(shù)利用電磁感應(yīng)加熱熔化 感應(yīng)器內(nèi)的金屬材料 ， 并利用在金屬熔體表層部分產(chǎn)生的電磁壓力來約束已熔化的金屬熔體成形 。其基本原理 [9]是將盛有金屬液的坩堝置于一激冷基座上，在金屬液被動(dòng)力學(xué)過冷的同時(shí)，金屬液內(nèi)建立起一個(gè)自下而上的溫度梯度，冷卻過程中溫度最低的底部先形核，晶體自下而上生長，形成定向排列的樹枝晶骨架，其間是殘余的金屬液。 表 11 不同定向凝固方法的主要冶金參數(shù) Table 11 Different directional solidification of metallurgical parameters 項(xiàng) 目 PD法 HRS法 LMC法 溫度梯度 (K/cm) 7～ 11 26～ 30 73～ 103 生長速度 (cm/h) 8～ 12 23～ 27 53～ 61 冷卻速度 (K/h) 90 700 4700 局域凝固時(shí)間 (min) 85～ 88 8～ 12 ～ 為進(jìn)一步提高定向凝固過程中的溫度梯度 ， 從而提高凝固速度 ， 最終提高材料的性能 ， 在充分吸收其他凝固技術(shù) （ 如快速凝固）優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上 ，出現(xiàn)了許多新型的定向凝固技術(shù) 。 定向凝固技術(shù)發(fā)展與研究現(xiàn)狀 定向凝固技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用 定向凝固是在凝固過程中采用強(qiáng)制手段，在凝固金屬和未凝固熔體中建立起特定方向的溫度梯度，從而使熔體沿著與熱流相反的方向凝固，獲得具有特定取向柱 狀晶的技術(shù) [8]。高熵合金就是在這樣的背景下發(fā)展起來的。阻礙合金向多元方向發(fā)展的主要原因是，合金中成分過多會(huì)形成金屬間化合物和復(fù)雜相，導(dǎo)致合金性能的惡化，給材料的組織和成分分析帶來一些困難。 37 參考文獻(xiàn) 32 顯微硬度 19 實(shí)驗(yàn)方法 定向凝固區(qū)域的硬度小于淬火區(qū)的硬度 ， 是由于定向凝固緩慢的凝固過程造成了晶格畸變的減少，降低了硬度。 FeCoNiCrAl高熵 合金在定向凝固過程中，隨著抽拉速度的增大，凝固界面發(fā)生平 胞 枝轉(zhuǎn)變 ，并且 胞晶數(shù)目增多，胞晶間距減小 ，利用 平界面凝固的穩(wěn)定性判據(jù) 進(jìn)行了平胞界面轉(zhuǎn)變的理論分析。 1 定向凝固技術(shù)發(fā)展與研究現(xiàn)狀 21 溫度采集系統(tǒng) 26 引言 26 FeCoNiCrAl 合金 體積凝固組織分析 30 胞晶間距 35 本章小結(jié) 由于單個(gè)純金屬性能的局限性，合金正得到越來越廣泛的應(yīng)用 [1]，幾千年來，隨著合金體系的發(fā)展，開發(fā)使用的合金系已達(dá)三十余種。高混合熵不但能夠簡化多主元高熵合金的顯微結(jié)構(gòu)，而且還能使顯微結(jié)構(gòu)納米化甚至非晶化，這種與傳統(tǒng)合金迥異的顯微結(jié)構(gòu)使高熵合金擁有獨(dú)特的機(jī)械性能、物理性能 (光、電、磁、熱 )和化學(xué)性能，進(jìn)而使得相比于趨于飽和的傳 統(tǒng)合金體系，高熵合金具有很大的應(yīng)用潛力 [3]。高熵合金的研究具有前瞻性 ,具有學(xué)術(shù)研究及應(yīng)用價(jià)值。傳統(tǒng)定向凝固技術(shù)的主要缺點(diǎn)是冷卻速度慢，這樣就使凝固組織 有充分的時(shí)間長大、粗化、以致產(chǎn)生嚴(yán)重的枝晶偏析，限制了材料性能的提高。m/s內(nèi)調(diào)節(jié)。 (3)定向凝固組織形成過程中的晶體生產(chǎn)速度高，組織結(jié)構(gòu)細(xì)小，微觀成分偏析程度低，從而使鑄件的各種力學(xué)性能大幅度提高。 激光超高溫度梯度快速定向凝固 （ LMC） 能夠獲得比常規(guī)定向凝固包括 ZMLMC技術(shù)高得多的溫度梯度和凝固速率 。縱觀定向凝固技術(shù)發(fā)展河南理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)論文 7 的歷史就是溫度梯度和凝固速度不斷提高的歷史。固液界面形態(tài)是凝固理論研究的重要組成部分，它與最終的凝固組織和內(nèi)部缺陷有密切的聯(lián)系。但該理論未能給出在 低速下平面狀失穩(wěn)得到胞晶進(jìn)而得到樹枝晶后至絕對(duì)穩(wěn)定性這一廣闊區(qū)間內(nèi)界面形態(tài)的轉(zhuǎn)變過程。 應(yīng)用定向凝固技術(shù)的目的是獲得穩(wěn)定的單向凝固組織，其性能又與組織的細(xì)化程度緊密相關(guān)。 李安敏、張喜燕 [15]研究了 AlCrCuFeNi高熵合金的組織和硬度 。 Cr含量的增加對(duì)合金硬度的提高較小，該合金為低溫脆性材料，但在 1073K高溫時(shí)具有很好的塑性變形能力和較高的強(qiáng)度，當(dāng) x=1~ ，合金具有最優(yōu)的壓縮強(qiáng)度和塑性組合。 (d) x=40。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在CoCrFeNiTi合金中僅出現(xiàn)面心立方結(jié)構(gòu)，隨著 Al含量的增加，逐漸向體心立方結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，并出現(xiàn)典型的樹枝晶，在 CoCrFeNiTiAl高熵合金的鑄態(tài)組織中還觀察到了二次晶粒。多主元高熵合金具有眾多優(yōu)良性質(zhì)，可應(yīng)用到不同的工業(yè)領(lǐng)域，如：可作為高硬度且耐磨、耐高溫、耐蝕的工具、模具、刀具，高爾夫球頭打擊面、油壓氣壓桿、鋼管及輥壓筒的硬面；具有高頻耦合軟磁性能的高熵合金可用于高頻變壓器、馬達(dá)的磁心、磁屏蔽、磁頭、磁盤、磁光盤、高頻軟磁薄膜之中；具有耐腐蝕性能的高熵合金可用作化學(xué)工廠、船艦的耐蝕高強(qiáng)度材料；具有耐高溫性能的高熵合金可用作渦輪葉片、焊接材料、熱交換器及高溫爐的耐熱材料 ，超高大樓的耐火骨架和微機(jī)電材料等 [2]。 河南理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)論文 19 第 2 章 實(shí)驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)方法 研究方案 對(duì) FeCoNiCrAl 高熵合金定向凝固組織形成規(guī)律進(jìn)行研究。由于在真空爐中對(duì)流換熱及非接觸熱傳導(dǎo)很小，熱的傳導(dǎo)主要是通過輻射傳熱，而輻射傳熱是最快的傳熱方式。 真空系統(tǒng)由機(jī)械泵和擴(kuò)散泵組成，極限真空度為 5103 Pa。 將定向凝固后的試樣進(jìn)行縱向切割，然后鑲嵌、制備金相試樣。 溫度采集系統(tǒng) 采用直徑為 103 m 的 NiCrNiSi 作為測溫?zé)犭娕己臀C(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行溫度測量。已存盤的溫度場數(shù)據(jù)文件可以供其它多種商用數(shù) 據(jù)分析處理及繪圖軟件（如 GraphTool, Origin 等）調(diào)用，且能在屏幕上顯示出溫度變化曲線。15 mV、 177。℃ 范圍漂移 177。 ℃ 采樣周期 ~100 ms通道數(shù) 工作環(huán)境 10~+50 ℃ 通道數(shù) 1~8 個(gè)（可由程序選擇） 所用熱 電偶 NiCrNiSi 熱電偶 使用多信道采集系統(tǒng)時(shí)要注意： (1)未使用的通道必須短接。 定向凝固過程 澆注成的預(yù)制棒料 用砂紙磨去 表皮雜質(zhì)做成試樣， 為了加強(qiáng)熱傳導(dǎo)能力，實(shí)驗(yàn)時(shí)，先將試樣管的一端用石墨塞子堵住，將試樣放于試樣管底部，在進(jìn)行定向凝固時(shí)，在試樣管外加石墨套管作為加熱體，電磁感應(yīng)線圈加熱石墨套管，通過熱 輻射 的作用再加熱石墨試管，使 FeCoNiCrAl 高熵合金 熔化 ， 防止了電磁感應(yīng)引起渦流導(dǎo)致凝固界面的不穩(wěn)定 。王水應(yīng)現(xiàn)配現(xiàn)用。本章主要研究五元高熵合金 FeCoNiCrAl定向凝固組織演化規(guī)律，以及 鑄態(tài)組織與顯微硬度特性。兩個(gè)界面之間的白色區(qū)域?yàn)槎ㄏ蚰探M織區(qū)，光學(xué)電鏡分析結(jié)果表明，該區(qū)組織為單相組織，由于不存在晶界，所以不易腐蝕。m —— 100181。m —— 100181。 m——河南理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)論文 33 算得到平面凝固時(shí)的臨界值（ Geff/V） crit 在 109 Ksm2? 和 109 Ksm2?之間。m —— 河南理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)論文 32 看出，胞晶間距隨著生長速度的增加而減小，在開始階段由于生長速度增加，過冷度增大速度快，胞晶間距急劇減小，隨著生長速度繼續(xù)增加，胞晶間距減小程度變緩，這是由于生長速度的增大程度相對(duì)減小，過冷度增加較少，但總體趨勢(shì)是胞晶間距隨著生長速度的增加而減小。m —— 100181。圖 34(c),(d)分別為 5 μm/s和 10 μm/s的生長速度下，試樣的定向凝固組織，從圖中可以看出，在這兩個(gè)生長速度下的定向凝固區(qū)組織為胞狀晶，且 5 μm/