【正文】 021屆本科畢業(yè)論文 5 圖 12 深過冷定向凝固原理示意 Fig. 12 Deep super cooling directional solidification principle 1. Cooling device 2. Liquid mater 3. Purification 4. Stock 5. Silica pot 與傳統(tǒng)定向凝固工藝相比，深過冷定向凝固法（ DUDS）具有下述特點 ； (1)鑄件和爐子 間無相對運動，省去了復(fù)雜的傳動和控制裝置，大大降低了設(shè)備要求。在隨后的冷卻過程中，這些金屬液依靠 向外界散熱而在已有的枝晶骨架上凝固，最終獲得了定向凝固組織。 圖 11 區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法裝置示意 Fig. 11 Zone regional melting liquid metal cooling device 1. Ingot 2. Cooling agent 3. Cooling water 4. Insulation board 5. Induction coil 6. Sample 7. Melting zone 8. Crucible (3) 深過冷定向凝固 深過冷定向凝固 （ supercooling directional solidification， 簡稱 SDS）是深過冷與定向凝固的結(jié)合。m/s內(nèi)調(diào)節(jié)。 其 裝置如圖11所示 ： 該方法將區(qū)域熔化與液態(tài)金屬冷卻相結(jié)合 , 利用感應(yīng)加熱集中對凝固界面前沿液相進(jìn)行加熱 , 從而有效地提高了固液界面前沿的溫度梯度。 (2) 區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法 李建國等通過改變加熱方式 , 在 LMC 法的基礎(chǔ)上發(fā)展了一種新型 定向凝固技術(shù) —— 區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法 , 即 ZMLMC 法。表 11為三種 不同定向凝固 方法的工藝參數(shù)。傳統(tǒng)定向凝固技術(shù)的主要缺點是冷卻速度慢，這樣就使凝固組織 有充分的時間長大、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。伴隨著對熱流控制技術(shù)的發(fā)展，定向凝固技術(shù)得到了長足的發(fā)展。定向凝固技術(shù)可以較好地控制凝固組織的晶粒取向，消除橫向晶界，獲得柱狀晶或單晶組織，提高材料的縱向力學(xué)性能，因而自它誕生以來得到了迅速發(fā)展。因此 ,傳統(tǒng)合金工業(yè)的升級及高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也將為高熵合金開辟廣闊的發(fā)展空間 ,對傳統(tǒng)冶金和鋼鐵行業(yè)的提升具有重要意義 [7]。高熵合金的研究具有前瞻性 ,具有學(xué)術(shù)研究及應(yīng)用價值。實際上 ,現(xiàn)在出現(xiàn)的一些高熵合金體系也只是通過“雞尾酒”方法調(diào)配而成，還沒有科學(xué)系統(tǒng) 的選擇合金元素的理論。但至今，對高熵合金無論是理論還是試驗的研究都非常少。 傳統(tǒng)合金的發(fā)展已經(jīng)趨于飽和，突破以一種或者兩種元素為主的傳統(tǒng)發(fā)展框架已是冶金學(xué)家追求的一個目標(biāo)。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)使高熵合金擁有獨特的機械性能、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]。為了區(qū)別于傳統(tǒng)合金，且充分發(fā)揮多元素高混亂度效應(yīng)，高熵合金的主要元素數(shù)目 n≥5。但是，如果主要元素增加到一定數(shù)量，合金顯微組織就會發(fā)生質(zhì)的變化，形成比較簡單的結(jié)構(gòu)甚至非晶質(zhì)，多主元高熵合金的出現(xiàn)證明了這一點 [2]。非晶合金作為一種新型的合金具有優(yōu)良的特性和廣泛的應(yīng)用潛能，所以，其制備、 發(fā)展和應(yīng)用都得到了普遍 關(guān)注，但仍舊是以 1～ 2種金屬為基礎(chǔ)來發(fā)展的。由于單個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。 39 附錄 2 溫度 熱電勢轉(zhuǎn)換程序 38 附錄 1 計算機采集系統(tǒng) 36 致謝 35 本章小結(jié) 34 定向凝固組織的顯微硬度 34 體積凝固組織的顯微硬度 31 理論分析 30 胞晶間距 27 固 /液界面形態(tài) 26 FeCoNiCrAl 合金 體積凝固組織分析 26 引言 25 第 3 章 FeCoNiCrAl 合金 定向凝固組織演化規(guī)律 25 顯微組織分 析 21 溫度采集系統(tǒng) 21 實驗合金及金相試樣的制備 19 實驗設(shè)備 9 多主元高熵合金的發(fā)展前景 1 定向凝固技術(shù)發(fā)展與研究現(xiàn)狀 1 課題背景 I Abstract interface morphology。 關(guān)鍵詞： FeCoNiCrAl 合金 ；定向凝固；界面形態(tài)；顯微硬度 河南理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)論文 II Abstract In this paper, Microstructure and mechanical properties of FeCoNiCrAl highentropy alloy were investigated under the bulk solidification and directional solidification respectively. The results show that the ascast microstructure of FeCoNiCrAl highentropy alloy have simple BCC structure. Typical dendritic structures are observed in the alloy. During the directional solidification, the planarcellulardendritic transition of solidification interface can be found with increasing growth velocity. Meanwhile, the number of cellular increases but cellular spacing decreases. Stability criterion of plannar to celluar interface is employed to analyse the interface morphology of directionaly solidified FeCoNiCrAl highentropy alloy. Experimental investigation was carried out on the microhardness of FeCoNiCrAl alloy under the both bulk solidification and directional solidification condition. The interdendritic microhardness is larger than the one in the first dendritic, because Cr atoms are rich in the interdentrictic segregation, and atom radius of Cr is larger than that of other elements, distortion of crystal lattice is more severe, and microhardness in the directional solidification zone is smaller than the one in the asquenched due to little distortion of crystal lattice during directional solidification. Keywords: FeCoNiCrAl alloy。結(jié)果表明，體積凝 固條件下 枝晶間的顯微硬度比 一次枝晶干 的硬度大， 是因為鉻 原子容易在枝晶間發(fā)生偏析，而且 鉻 原子的體積相對其他原子較大，造成晶格的畸變較大 的緣故。 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。河南理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)論文 I 摘 要 本文利用真空電磁感應(yīng)定向凝固裝置分別研究了體積凝固狀態(tài)下和定向凝固條件下 FeCoNiCrAl高熵合金的組織特征和力學(xué)性能。研究結(jié)果表明 : 體積凝固條件下 FeCoNiCrAl高熵 合金具有簡單的 BCC結(jié)構(gòu) ，F(xiàn)eCoNiCrAl高熵 合金鑄態(tài)組織為 典型的 樹枝晶 。 對體積凝固和定向凝固試樣分別進(jìn)行了顯微硬度測試。 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。directional solidification。 microhardness 河南理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)論文 III 目錄 摘要 II 第 1 章 緒論 2 定向凝固技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用 2 定向凝固理論研究現(xiàn)狀 7 多主元高熵合金研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景 9 多主元高熵合金研究現(xiàn)狀 17 本論文研究的主要內(nèi)容 18 第 2 章 實驗材料及實驗方法 19 研究方案 19 實驗方法 22 定向凝固過程 26 FeCoNiCrAl 合金定向凝固組織演化規(guī)律 27 FeCoNiCrAl 合金定向凝固組織 32 顯微硬度 36 結(jié)論 37 參考文獻(xiàn) 40 河南理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)論文 1 第 1 章 緒論 課題背景 合金是由兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬，經(jīng)熔煉、燒結(jié)或其他方法組合而成具有金屬特性的材料。目前的合金系統(tǒng)大多是以單一組元為基礎(chǔ)發(fā)展起來的，例如鋼鐵材料和鋁合 金， Fe基、 Ni基、 Co基的超合金； 20世紀(jì)50年代發(fā)展的二元基金屬間化合物也是以 1～ 2種金屬為基礎(chǔ)的合金。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。 多主元高熵合金是多種主要元素的合金，其中每種主要元素都具有較高的原子百分比，但每種元素的原子百分?jǐn)?shù)不能超過 35%，也就是說這種合金是由多種元素集體起作用而表現(xiàn)出其特色。熵是熱力學(xué)上代表混亂度的一個參數(shù)，混亂度越大，熵就越大。 近年來，對多主元高熵合金的研究成果主要有 [4]：多元高功能合金鍍膜性能研究；多主元高熵合金相圖模擬研究； FeCoNiAlCrCu多主元高熵合金的高溫氧化與高溫漸變研究；多主元高功能合金微結(jié)構(gòu)研究；多主元高性能合金清凈化研究；多主元高熵合金納米組織操控技術(shù)研究；多主元高河南理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)論文 2 熵合金熔鑄與鍛壓技術(shù)開發(fā)研究；多種元素高熵合金 AlCoCrCuFeNi微觀結(jié)構(gòu)特點的研究、系列機械性能的研究；多主元高熵合金 AlTiFeNiCuCrx微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能等；面心立方結(jié)構(gòu)的高熵合金 素后的抗磨損性能及高溫壓縮性能研究；高熵合金 釩元素對其微觀結(jié)構(gòu)、硬度、抗腐蝕性能的影響等 [5]。高熵合金就是在這樣的背景下發(fā)展起來的。人們對其合金化的機理以及其中涉及到的諸多科學(xué)問題基本還沒有什么認(rèn)識 [6]。另外 ,對它們凝固后的組織形成以及各種物理化學(xué)性能都還沒有清晰的認(rèn)識。由于應(yīng)用潛力多元化 ,面對的產(chǎn)業(yè)也多元化。 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]。 熱流的控制是定向凝固技術(shù)中的重要環(huán)節(jié)，獲得并保持定向熱流是定向凝固成功的重要保證。 (1)傳統(tǒng)定向凝固技術(shù)及存在的弊端 傳統(tǒng)的定向凝固技術(shù)主要有發(fā)熱劑法 （ EP法）、功率降低法（ PD法 ） 、河南理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)論文 3 快速凝固法（ HRS法）和液態(tài)金屬冷卻法（ LMC法）等。造