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1、河南理工大学2009届本科毕业论文摘 要本文利用真空电磁感应定向凝固装置分别研究了体积凝固状态下和定向凝固条件下FeCoNiCrAl高熵合金的组织特征和力学性能。研究结果表明: 体积凝固条件下FeCoNiCrAl高熵合金具有简单的BCC结构，FeCoNiCrAl高熵合金铸态组织为典型的树枝晶。 FeCoNiCrAl高熵合金在定向凝固过程中，随着抽拉速度的增大，凝固界面发生平-胞-枝转变，并且胞晶数目增多，胞晶间距减小，利用平界面凝固的稳定性判据进行了平胞界面转变的理论分析。对体积凝固和定向凝固试样分别进行了显微硬度测试。结果表明，体积凝固条件下枝晶间的显微硬度比一次枝晶干的硬度大，是因为铬原子
2、容易在枝晶间发生偏析，而且铬原子的体积相对其他原子较大，造成晶格的畸变较大的缘故。定向凝固区域的硬度小于淬火区的硬度，是由于定向凝固缓慢的凝固过程造成了晶格畸变的减少，降低了硬度。关键词：FeCoNiCrAl合金；定向凝固；界面形态；显微硬度AbstractIn this paper, Microstructure and mechanical properties of FeCoNiCrAl high-entropy alloy were investigated under the bulk solidification and directional solidification res
3、pectively. The results show that the as-cast microstructure of FeCoNiCrAl high-entropy alloy have simple BCC structure. Typical dendritic structures are observed in the alloy. During the directional solidification, the planar-cellular-dendritic transition of solidification interface can be found wit
4、h 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 high-entropy alloy.Experimental investigation was carrie
5、d 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 th
6、an 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 as-quenched due to little distortion of crystal lattice during directional solidification. Keywords: FeCoNiCrAl alloy;directional solidific
7、ation; interface morphology; microhardness目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 定向凝固技术发展与研究现状21.2.1 定向凝固技术的发展与应用21.2.2 定向凝固理论研究现状71.3 多主元高熵合金研究现状及发展前景91.3.1 多主元高熵合金研究现状91.3.2 多主元高熵合金的发展前景171.4 本论文研究的主要内容18第 2 章 实验材料及实验方法192.1 研究方案192.2 实验设备192.3 实验方法212.3.1实验合金及金相试样的制备212.3.2温度采集系统222.3.3定向凝固过程252.4显微组
8、织分析25第3章 FeCoNiCrAl合金定向凝固组织演化规律263.1引言263.2 FeCoNiCrAl合金体积凝固组织分析263.3 FeCoNiCrAl合金定向凝固组织演化规律273.3.1 FeCoNiCrAl合金定向凝固组织273.3.2 固/液界面形态303.3.3 胞晶间距313.4 理论分析323.5 显微硬度333.5.1 体积凝固组织的显微硬度333.5.2 定向凝固组织的显微硬度343.6 本章小结35结论36致谢37参考文献38附录1 计算机采集系统39附录2 温度-热电势转换程序40 32 第1章 绪论1.1 课题背景合金是由两种或两种以上的金属或金属与非金属，经熔
9、炼、烧结或其他方法组合而成具有金属特性的材料。由于单个纯金属性能的局限性，合金正得到越来越广泛的应用1，几千年来，随着合金体系的发展，开发使用的合金系已达三十余种。目前的合金系统大多是以单一组元为基础发展起来的，例如钢铁材料和铝合金，Fe基、Ni基、Co基的超合金；20世纪50年代发展的二元基金属间化合物也是以12种金属为基础的合金。非晶合金作为一种新型的合金具有优良的特性和广泛的应用潜能，所以，其制备、发展和应用都得到了普遍关注，但仍旧是以12种金属为基础来发展的。阻碍合金向多元方向发展的主要原因是，合金中成分过多会形成金属间化合物和复杂相，导致合金性能的恶化，给材料的组织和成分分析带来一些
10、困难。但是，如果主要元素增加到一定数量，合金显微组织就会发生质的变化，形成比较简单的结构甚至非晶质，多主元高熵合金的出现证明了这一点2。多主元高熵合金是多种主要元素的合金，其中每种主要元素都具有较高的原子百分比，但每种元素的原子百分数不能超过35%，也就是说这种合金是由多种元素集体起作用而表现出其特色。为了区别于传统合金，且充分发挥多元素高混乱度效应，高熵合金的主要元素数目n5。熵是热力学上代表混乱度的一个参数，混乱度越大，熵就越大。高混合熵不但能够简化多主元高熵合金的显微结构，而且还能使显微结构纳米化甚至非晶化，这种与传统合金迥异的显微结构使高熵合金拥有独特的机械性能、物理性能(光、电、磁、
11、热)和化学性能，进而使得相比于趋于饱和的传统合金体系，高熵合金具有很大的应用潜力3。近年来，对多主元高熵合金的研究成果主要有4：多元高功能合金镀膜性能研究；多主元高熵合金相图模拟研究；FeCoNiAlCrCu多主元高熵合金的高温氧化与高温渐变研究；多主元高功能合金微结构研究；多主元高性能合金清净化研究；多主元高熵合金纳米组织操控技术研究；多主元高熵合金熔铸与锻压技术开发研究；多种元素高熵合金AlCoCrCuFeNi微观结构特点的研究、系列机械性能的研究；多主元高熵合金AlTiFeNiCuCrx微观结构和力学性能等；面心立方结构的高熵合金CuCoNiCrAl0.5Fe添加硼元素后的抗磨损性能及高
12、温压缩性能研究；高熵合金Al0.5CoCrCuFeNi中添加钒元素对其微观结构、硬度、抗腐蚀性能的影响等5。传统合金的发展已经趋于饱和，突破以一种或者两种元素为主的传统发展框架已是冶金学家追求的一个目标。高熵合金就是在这样的背景下发展起来的。但至今，对高熵合金无论是理论还是试验的研究都非常少。人们对其合金化的机理以及其中涉及到的诸多科学问题基本还没有什么认识6。实际上,现在出现的一些高熵合金体系也只是通过“鸡尾酒”方法调配而成，还没有科学系统的选择合金元素的理论。另外,对它们凝固后的组织形成以及各种物理化学性能都还没有清晰的认识。高熵合金的研究具有前瞻性,具有学术研究及应用价值。由于应用潜力多
13、元化,面对的产业也多元化。因此,传统合金工业的升级及高科技产业的发展也将为高熵合金开辟广阔的发展空间,对传统冶金和钢铁行业的提升具有重要意义7。1.2 定向凝固技术发展与研究现状1.2.1 定向凝固技术的发展与应用定向凝固是在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和未凝固熔体中建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固，获得具有特定取向柱状晶的技术8。定向凝固技术可以较好地控制凝固组织的晶粒取向，消除横向晶界，获得柱状晶或单晶组织，提高材料的纵向力学性能，因而自它诞生以来得到了迅速发展。热流的控制是定向凝固技术中的重要环节，获得并保持定向热流是定向凝固成功的重要保证。伴随着对热流
14、控制技术的发展，定向凝固技术得到了长足的发展。(1)传统定向凝固技术及存在的弊端传统的定向凝固技术主要有发热剂法（EP法）、功率降低法（PD法）、快速凝固法（HRS法）和液态金属冷却法（LMC法）等。传统定向凝固技术的主要缺点是冷却速度慢，这样就使凝固组织有充分的时间长大、粗化、以致产生严重的枝晶偏析，限制了材料性能的提高。造成冷却速度慢的主要原因是凝固界面与液相中最高温度面距离太远，固-液界面并不处于最佳位置，因此所获得的温度梯度不大，这样为保证界面前液相中没有稳定的结晶核心的形成，所允许的最大凝固速度就有限。表1-1为三种不同定向凝固方法的工艺参数。表 1-1不同定向凝固方法的主要冶金参数
15、Table 1-1 Different directional solidification of metallurgical parameters项 目PD法HRS法LMC法温度梯度(K/cm)711263073103生长速度(cm/h)81223275361冷却速度(K/h)907004700局域凝固时间(min)85888121.21.6为进一步提高定向凝固过程中的温度梯度，从而提高凝固速度，最终提高材料的性能，在充分吸收其他凝固技术（如快速凝固）优点的基础上，出现了许多新型的定向凝固技术。(2) 区域熔化液态金属冷却法李建国等通过改变加热方式, 在LMC 法的基础上发展了一种新型定向凝固技术区域熔化液态金属冷却法, 即ZMLMC 法。该方法的冷却方式与LMC方法相同，加热部分则利用固定的感应线圈产生热量，在距冷却金属液面极近的位置使金属局部熔化，过热产生的熔化区很窄，从而将凝固界面位置下压，同时使液相中的最高温度尽量靠近凝固界面，启动抽拉装置，不断地向下抽拉熔化的试样进入液态合金中冷却。其装置如图1-1所示：该方法将区域熔化与液态金属冷却相结合, 利用感应加热集中对凝固界面前沿液相进行加热,
