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金屬頂刊《Acta》：實(shí)現(xiàn)高溫延展性和強(qiáng)度平衡！開(kāi)發(fā)低密度鐵素體AlCrFeNiTi合金

2021-07-28 11:03:03 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

導(dǎo)讀：通過(guò)感應(yīng)鑄造以塊體形式制備三種新型沉淀強(qiáng)化bcc合金，它們顯示出平滑的顯微組織梯度和成分。所有三種合金都由鑄態(tài)和在900℃長(zhǎng)期退火后的無(wú)序A2-（Fe，Cr）和L21-有序（Ni，F(xiàn)e）2AlTi型相的混合物組成。當(dāng)Cr被Al和Ti取代時(shí)，無(wú)序與有序相的比率、一次枝晶分?jǐn)?shù)和整體顯微組織尺寸都降低。整體拉伸試驗(yàn)顯示，對(duì)于包含有序相和無(wú)序相的納米級(jí)迷宮狀排列的合金，900℃的強(qiáng)度接近250 MPa。一種合金包含具有韌性枝晶區(qū)域和高度抗蠕變枝晶間區(qū)域的雙重微觀結(jié)構(gòu)，顯示出高溫延展性和強(qiáng)度之間的平衡。這種合金超過(guò)了類似的鐵素體超級(jí)合金，并在低得多的密度和原材料成本下與包括因I包含nconel617和718在內(nèi)的幾種常規(guī)使用的高溫結(jié)構(gòu)合金相媲美。

近年來(lái)，高熵合金（HEA）和成分復(fù)雜合金（CCA）的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)產(chǎn)生了許多用于高溫結(jié)構(gòu)應(yīng)用的有前途的新合金。已經(jīng)發(fā)表了許多關(guān)于由L12沉淀物強(qiáng)化的fcc結(jié)構(gòu)的CCAs的研究，類似于鎳基高溫合金，其在壓縮和拉伸中都顯示出優(yōu)異的高溫機(jī)械性能。雖然fcc的CCA通常具有優(yōu)異的延展性，但是一些bcc結(jié)構(gòu)的成分復(fù)雜合金具有良好的高溫強(qiáng)度和合理的延展性。在一項(xiàng)相關(guān)的工作中，Shaysultanov等人測(cè)量了Fe36Mn21Cr18Ni15Al10合金在600 ℃時(shí)的拉伸屈服應(yīng)力為310 MPa，失效應(yīng)變?yōu)?5%。周等報(bào)道了強(qiáng)化bcc結(jié)構(gòu)的Fe34Cr34Ni14Al14Co4合金在800℃時(shí)的壓縮屈服應(yīng)力接近400 Mpa。然而，總的來(lái)說(shuō)，目前缺乏bcc結(jié)構(gòu)CCAs的高溫拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)更不用說(shuō)蠕變數(shù)據(jù)了——這大概是由于這種合金中經(jīng)常觀察到的低拉伸延展性。

Al-Cr-Fe-Ni-Ti合金系統(tǒng)包括幾個(gè)研究得很好的二元和三元系統(tǒng)。與目前工作特別相關(guān)的是Al-Cr-Fe、Al-Cr-Ni、Al-Fe-Ti和Al-Ni-Ti體系。對(duì)于這些系統(tǒng)中的每一個(gè)，大部分組成空間的相和微結(jié)構(gòu)的形成是眾所周知的，特別是在單相和雙相A2、B2和/或L21穩(wěn)定性的區(qū)域。B2-FeAl和D03-Fe3Al作為結(jié)構(gòu)材料具有成本相對(duì)較低、密度低、抗高溫氧化性非常好、高溫強(qiáng)度適中等優(yōu)點(diǎn)。類似地，B2-NiAl和L12-Ni3Al顯示出與FeAl相同的優(yōu)點(diǎn)，但是具有更高的高溫強(qiáng)度和更好的抗蠕變性。在Al-Fe和Al-Ni體系中加入Ti可以形成L21結(jié)構(gòu)的赫斯勒相和拉維斯相。單相L21-Ni2TiAl以及雙相B2-NiAl+L21-Ni2TiAl（β-β‘）已被證明具有高溫抗蠕變性，可直接與高達(dá)約1000 ℃的高性能γ-γ'Ni基高溫合金相媲美。對(duì)于旋轉(zhuǎn)部件的應(yīng)用，其中最大應(yīng)力與合金密度成正比，這些赫斯勒相合金可能超過(guò)鎳基高溫合金的抗蠕變性。

上述金屬間合金的主要問(wèn)題是它們?cè)诙嗑问较碌难诱剐院蛿嗔秧g性非常低，即使在高溫下也是如此。一類突出的合金是所謂的鐵基高溫合金，最初是作為鎳基高溫合金的低成本替代品開(kāi)發(fā)的，用于溫度高達(dá)約760 ℃的結(jié)構(gòu)應(yīng)用。此類合金利用共格沉淀的B2-NiA 和/或L21-TiAl作為A2富鐵基體的主要強(qiáng)化相。雖然肯定比純B2/L21合金更具延展性，由于A2基體的強(qiáng)度和抗蠕變性在高于約700 ℃的溫度下迅速下降，因此這些合金的最大應(yīng)用溫度固有地受到限制。保持高溫機(jī)械性能的一種方法是增加有序相的含量，但是，超過(guò)一定量的Ni和Al，不再有明確的基體析出關(guān)系，因?yàn)橛行蛳嘤蜃兊猛耆B續(xù)。在HEA/CCA文獻(xiàn)中廣泛報(bào)道了這種迷宮狀或?qū)訝钗⒔Y(jié)構(gòu)，雖然表面非常堅(jiān)固，但已被證明非常脆。

在目前的工作中，德國(guó)馬普所Silas Wolff-Goodrich教授團(tuán)隊(duì)探索了一組低密度CCA，其中沉淀硬化和固溶強(qiáng)化的最大貢獻(xiàn)相結(jié)合，以獲得高達(dá)800 ℃的優(yōu)異高溫機(jī)械性能。我們定制了一個(gè)由三種成分組成的微觀結(jié)構(gòu)梯度，以鋁為中心，其中Al和Ti代替Cr，同時(shí)保持Fe和Ni不變。要研究的三種合金的成分可以指定為Al4xCr5?（9?x）Fe35Ni20Tix，x∈{4,5,6}（at.%）。。當(dāng)此類合金中的有序相域形成B2和L21的分層混合物時(shí)，可實(shí)現(xiàn)最佳抗拉伸蠕變域。相關(guān)研究以題“Towards Superior High Temperature Properties in LowDensity Ferritic AlCrFeNiTi Compositionally Complex Alloys”發(fā)表在Acta Materialia上。

鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117113

通過(guò)改變（Al+Ti）：Cr的比例，我們能夠調(diào)整這些合金中枝晶偏析的程度：在梯度的高Cr端，大部分結(jié)構(gòu)由具有A2基體的初生枝晶和等軸B2/l21沉淀物組成。由于Cr被Al和Ti取代，初級(jí)枝晶的體積被越來(lái)越多的枝晶間結(jié)構(gòu)所取代，該結(jié)構(gòu)由B2/L21和A2相精細(xì)迷宮狀排列組成。

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圖1 鑄態(tài)和100小時(shí)退火條件下所有三種成分的XRD圖譜……

圖2 合金D1-D3在退火和鑄態(tài)條件下的低倍率SEM-EDS映射。每個(gè)圖譜中都包含樹(shù)突（d-）和樹(shù)突間（i-）區(qū)域的元素濃度（at.%）。元素消耗由黑色背景上的彩色文本表示，而元素則由彩色背景上的黑色文本表示。

發(fā)現(xiàn)樹(shù)枝狀區(qū)域內(nèi)的平均析出物尺寸以及迷宮狀區(qū)域中的平均域?qū)挾榷茧S著 Al和Ti含量的增加而減小，這可能是由于各自的排序和分解溫度降低所致。在900 ℃下退火100小時(shí)后，觀察到所有三種合金的粗化率大致相等。發(fā)現(xiàn)鑄態(tài)和退火條件下的無(wú)序相晶格參數(shù)隨著Al和Ti含量的增加以及Cr含量的降低而略有增加，而有序相晶格參數(shù)則表現(xiàn)出相反的行為。發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的體平均晶格參數(shù)錯(cuò)配隨著Al和Ti被Cr替代而減少。

從三種合金不同區(qū)域的理論Orowan繞過(guò)應(yīng)力計(jì)算中獲得的見(jiàn)解用于解釋高溫拉伸實(shí)驗(yàn)的結(jié)果：

圖3合金 D1-D3 在退火和鑄態(tài)條件下的BSE SEM圖像，所有圖像的比例相同。鑄態(tài)圖像中的插圖顯示了代表性區(qū)域的更高放大倍數(shù)，所有插圖的比例相同。在所有圖像中，亮域被識(shí)別為 A2 相，暗域被識(shí)別為B2/L2。合金D1和D2已確定枝晶（d）和枝晶間（i）區(qū)域。鑄態(tài)合金 D3 的插圖中顯示了一個(gè)具有更多迷宮狀外觀的區(qū)域和一個(gè)具有更多層狀外觀的區(qū)域。

圖4:第一行圖像顯示了鑄態(tài)條件下D1-D3的STEM-EDS圖的NMF-PCA分解載荷。量化的相組成（at.%）直接顯示在有序（B2/L21）和無(wú)序（A2）相的圖像中。三張圖的比例一樣。第二行圖像顯示相位結(jié)構(gòu)和界面位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)，使用低角度環(huán)形暗場(chǎng)（LAADF）探測(cè)器成像，該探測(cè)器顯示原子序數(shù)和衍射對(duì)比度。所有三個(gè)圖像的比例都是相同的。（d）中的插圖暗場(chǎng)圖像是用g1`11L21和g2`22L21擴(kuò)散矢量從同一區(qū)域拍攝的。對(duì)于g1`11L21，超晶格APB的位置用白色箭頭表示。（e）和（f）中的插圖HAADF圖像已經(jīng)過(guò)傅里葉濾波以去除高頻噪聲，并且每個(gè)圖像都顯示了合金D2和D3中有序和無(wú)序相疇之間的單一界面……

圖5 （a）退火合金D2的LAADF圖像顯示枝晶和枝晶間區(qū)域。白色箭頭表示高位錯(cuò)密度區(qū)域。左下角的HAADF插圖顯示了樹(shù)枝狀區(qū)域中心內(nèi)相結(jié)構(gòu)的放大圖像。（b）來(lái)自樹(shù)枝狀和樹(shù)枝狀區(qū)域之間邊界附近的單個(gè)界面的NMF-PCA相映射，如（a）所示……

圖6 在700 ℃（a）和900 ℃（b）下測(cè)試的退火和鑄態(tài)合金的代表性拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。注意，對(duì)于兩個(gè)測(cè)試溫度，不同的應(yīng)力軸比例是必要的……

圖7 在900℃下測(cè)試的拉伸試樣的斷裂表面。顏色表示斷裂模式。

圖8 在700、750和800℃下測(cè)試的合金D2的穩(wěn)態(tài)蠕變速率圖。顯示了每個(gè)溫度和條件下的冪律指數(shù)。

D1枝晶間區(qū)域的脆化（Al16Cr25Fe35Ni20Ti4）導(dǎo)致該合金在700℃和900℃的鑄態(tài)屈服前斷裂。在退火條件下，屈服強(qiáng)度高于Orowan強(qiáng)化機(jī)制的預(yù)測(cè)值，這可能是由于納米級(jí)二次沉淀的存在或溶質(zhì)氣氛鎖定。全層狀合金D3（Al24Cr15Fe35Ni20Ti6）鑄態(tài)在兩種測(cè)試溫度下的屈服之前失效，并且在退火狀態(tài)下顯示出接近零的延展性，這表明在迷宮狀微觀結(jié)構(gòu)中不存在位錯(cuò)滑移的連續(xù)路徑。

圖9 在800 ℃和200 MPa下分別蠕變到應(yīng)變?yōu)?.3%和2.0%后，鑄態(tài)和退火態(tài)合金D2的顯微組織。（a）和（c）顯示了晶粒結(jié)構(gòu)的BSE SEM圖像，蠕變空洞用紫色突出顯示，并用白色箭頭表示。（b）顯示了蠕變鑄態(tài)材料的LAADF圖像，而（c）顯示了放大倍數(shù)更高的HAADF圖像。（e）和（f）都顯示了蠕變退火材料的HAADF圖像，探測(cè)器設(shè)置為比（c）更長(zhǎng)的相機(jī)長(zhǎng)度，以特別顯示應(yīng)變對(duì)比。

圖10 A2相中的Orowan繞過(guò)應(yīng)力與D1-D3合金中存在的所有形態(tài)類型的平均顆粒間距離的關(guān)系。A2相的剪切模量值是在900℃下計(jì)算的。圖像中的比例尺為2 μm。

圖11 D2合金（Al20Cr20Fe35Ni20Ti5）以及其他幾種為高溫應(yīng)用而設(shè)計(jì)的HEA/CCAs、一種優(yōu)化的鐵基超合金和Inconel 617的特定屈服應(yīng)力與溫度的關(guān)系。

圖12 在800 ℃下測(cè)試的D2合金的最小穩(wěn)態(tài)蠕變速率圖。為了進(jìn)行比較，還包括了在800 ℃下測(cè)試的其他幾種高溫合金的最小速率。

在700、750和800℃的一系列載荷條件下對(duì)合金D2進(jìn)行的蠕變?cè)囼?yàn)表明，在鑄態(tài)和退火狀態(tài)下都有希望獲得抗蠕變性。對(duì)于在800℃下進(jìn)行的試驗(yàn)，對(duì)蠕變微觀結(jié)構(gòu)的研究表明，鑄態(tài)結(jié)構(gòu)中的變形主要由晶界氣蝕產(chǎn)生，導(dǎo)致擴(kuò)散控制的蠕變行為。這表明觀察到的蠕變速率是受晶界內(nèi)聚力限制的上限。退火狀態(tài)下的冪定律指數(shù)表明位錯(cuò)滑移和爬升控制的蠕變行為。蠕變?cè)囼?yàn)后對(duì)退火結(jié)構(gòu)的觀察揭示了有序和無(wú)序疇中的移動(dòng)位錯(cuò)，表明在預(yù)測(cè)退火條件下的應(yīng)變速率時(shí)必須考慮這兩種相。

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