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TiZrHfNbMo 難熔高熵合金等離子體氫化及力學性能

TiZrHfNbMo 難熔高熵合金等離子體氫化及力學性能
研倍  2025-06-13  |  閱讀:293

摘 要


為改善難熔高熵合金的熱加工性,通過等離子輔助氣體合金化的方式在熔煉氣氛中通入 H?和 Ar 的混合氣體,使氫溶入TiZrHfNbMo 難熔高熵合金中。研究了不同 H 含量下,TiZrHfNbMo 難熔高熵合金組織和力學性能的變化規(guī)律。結(jié)果表明,H 的存在并未改變合金相組成,但室溫壓縮強度、硬度、伸長率有所下降,伸長率從 21% 降至 19%。H 的加入顯著細化了枝晶間距,減少二次枝晶臂數(shù)量及尺寸。置氫以后的合金高溫流動應(yīng)力從 622 MPa 降至 498 MPa。
關(guān)鍵詞難熔高熵合金;微觀組織;力學性能;氫;等離子體;熱變形



試驗材料及方法

1.1 材料制備

試驗用高純塊狀 TiZrHfNbMo(>99.9wt%)原材料,在電弧熔煉爐中制備不同 0vol%、10vol%、20vol% 的 H?+Ar 氣體下的 TiZrHfNbMo 難熔高熵合金。采用真空電弧熔煉熔煉鑄錠 40 g,尺寸直徑 2cm,高 1.5cm,形狀為 “紐扣狀”。


1.2 檢測方法

  • 物相分析試樣切割后,經(jīng)打磨、拋光、腐蝕液(HF∶HNO?∶H?O=1∶1∶20)腐蝕,采用島津 7000 型 X 射線衍射儀進行物相分析。

  • 顯微組織觀察:采用 S-3400N 型掃描電鏡進行觀察。

  • 力學性能測試:采用 UH250 硬度計進行硬度測試;采用 MTS810 型號電子萬能試驗機進行室溫壓縮試驗,壓縮速率 0.36mm/min;采用 Gleeble3500 對樣品進行高溫壓縮試驗,試樣尺寸為 Φ6mm×9mm,升溫速度為 10℃/s,變形溫度 1000℃,保溫 3 min,應(yīng)變速率為 0.01 s?1,變形量為 60%,壓縮后立即水淬。


試驗結(jié)果與分析




2.1 不同 H 含量下合金的物相分析

利用 Jade6.0 軟件分析標定和 Origin9.0 軟件繪制的不同 H 含量下 TiZrHfNbMo 合金的 X 射線衍射圖譜(XRD)如圖 1 所示,結(jié)果表明氫化前后合金均為單一 BCC 固溶體相。

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2.2 不同 H 含量下合金的顯微組織

圖 2 為不同 H 含量下 TiZrHfNbMo 難熔高熵合金的顯微組織。未置氫的組織一次和二次枝晶生長發(fā)達;置氫 89×10??時二次枝晶尺寸明顯減小,一次枝晶取向稍顯明顯;置氫 230×10??時二次枝晶尺寸很小,各一次枝晶取向接近平行狀。

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2.3 不同 H 含量下合金的室溫性能變化

2.3.1 硬度變化

圖 3 為不同 H 含量下合金的硬度變化,置氫后硬度稍有下降,從約 400HV 降至 380HV 左右,變化幅度約 5%。

2.3.2 室溫壓縮性能

圖 4 為不同 H 含量下合金的室溫壓縮應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線。隨著 H 的加入,合金最大抗壓強度從 1480 MPa 減少至 1400MPa,壓縮率從 21% 減少到 19%,塑性稍有下降。

image.pngimage.png

2.4 不同 H 含量下合金的高溫性能和形貌

圖 5 為不同 H 含量下合金的高溫壓縮曲線置氫后(230×10??)材料的峰值應(yīng)力為 498MPa,未置氫高熵合金的應(yīng)力為 620MPa,降幅可達 19.7%。

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圖 6 為熱壓縮試樣的組織形貌圖。

熱壓縮樣品呈現(xiàn)出熱壓縮以后的纖維組織,原始晶粒沿著受力方向組織延伸,原始晶界、第二相等沿著變形方向拉伸呈流線形,而在這些晶界以及變形條帶處形成再結(jié)晶。置氫以后鏈條狀流線更加均勻,再結(jié)晶晶粒尺寸較未置氫有了明顯增加,軟化效果更加顯著,導致材料高溫流變抗力降低。氫致弱鍵效應(yīng)降低金屬的結(jié)合能力,加快原子的擴散,促進再結(jié)晶晶粒的形核和長大,進而導致軟化效果顯著,強度降低。

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結(jié)論


  • 通過等離子輔助 H?氣體合金化最終熔煉制得的 TiZrHfNbMo 難熔高熵合金 H 含量可達 230×10??。
  • 由于 H 的弱鍵效應(yīng)使得置氫高熵合金的強度、硬度均稍有下降,伸長率從 21% 減小到 19%。H 的熔入顯著細化枝晶間距,使得二次枝晶臂顯著縮短。

  • 置氫后難熔高熵合金的流變抗力從 620 MPa 降至 498 MPa,高溫軟化是由于 H 的溶入,降低了金屬之間的結(jié)合能力,促進了原子的擴散,進一步促進動態(tài)再結(jié)晶的形核及長大,最終使得材料的變形抗力降低。




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