| 非金属掺杂对高熵合金力学和高温摩擦学性能的影响机制 | |
| Alternative Title | 无 |
辛本斌
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| Thesis Advisor | 孟军虎 |
| 2021-11-26 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 工学博士 |
| Degree Discipline | 材料学 |
| Keyword | 高熵合金,非金属掺杂,显微组织,力学性能,高温摩擦学行为 |
| Abstract | 常规耐磨金属材料存在塑韧性差和高温耐磨性不足等缺点，难以满足高温、高速和重载等苛刻工况中运动部件的服役要求，研制新型高温耐磨材料对满足我国高端装备领域的迫切需求具有重要意义。高熵合金全新的设计理念和独特的组织结构，使其有望解决常规耐磨材料难以兼具良好力学和耐磨性能的矛盾，作为高温耐磨材料具有良好开发前景。本文通过系统地研究C、Si和B等非金属元素掺杂对高熵合金物相转变和结构演化的影响规律，探究了非金属掺杂高熵合金的高温力学和摩擦学性能，厘清了其强韧化机理和高温耐磨机制，为新型高熵合金耐磨材料的设计制备和应用提供了基础。本文主要的研究内容和结论如下： (1) 通过掺杂C元素制备了以FCC相和原位TiC为主要成分的Al0.2Co1.5CrFeNi1.5Ti0.5+xCx高熵合金。C掺杂引起的间隙固溶强化、原位第二相强化和细晶强化使合金具有较高硬度、强度和断裂韧性。在25~800℃，高熵合金的摩擦系数随C含量增加而增大，随温度升高而减小。C掺杂高熵合金的耐磨性优于Inconel 718合金。在400℃以下，屈服强度和硬度的增大对其耐磨性的提高具有重要作用；在600℃以上，摩擦化学反应形成的氧化釉质层与良好抗高温软化性能的协同作用，使其具有良好的高温耐磨性。 (2) 研究了Si掺杂对Al0.2Co1.5CrFeNi1.5Ti0.5+0.5xSix高熵合金组织结构、力学和摩擦学性能的影响。Si掺杂高熵合金由FCC相和原位TixSiy组成。Si掺杂有利于提高合金的硬度、屈服强度、抗高温软化性能和抗氧化性能，但降低其断裂韧性和抗压强度。具有较好耐磨性能的TixSiy有助于改善高熵合金的低温耐磨性；在良好的高温抗软化性能、抗高温氧化性能和摩擦氧化物的共同作用下，使含Si高熵合金具有良好的高温耐磨性。其中，Al0.2Co1.5CrFeNi1.5Ti0.55Si0.1高熵合金的耐磨性最佳，且优于Stelite-6合金，具有良好的应用前景。 (3) 通过掺杂B元素制备了Al0.2Co1.5CrFeNi1.5Ti0.5Bx高熵合金。B掺杂高熵合金由FCC相、原位硼化物和Laves相构成。由于B掺杂引起的间隙固溶强化、第二相沉淀强化和异质结构强化效应，高熵合金的强度、硬度和抗高温软化性能随着B含量增加而增大，其断裂韧性先增大后减小。B掺杂改善了高熵合金的摩擦学性能，其中Al0.2Co1.5CrFeNi1.5Ti0.5B0.45高熵合金在25~900℃具有最佳的摩擦学性能，900℃时摩擦系数和磨损率分别是0.35和1.12×10-6 mm3∙N-1∙m-1，原因在于良好的力学性能和磨损表面形成具有高温润滑和耐磨作用的氧化釉质层。 (4) 结合相图计算，设计并制备了具有多级沉淀强化的B掺杂Al0.2Co2.0FeNi2.0Ti0.5Bx高熵合金耐磨材料。B掺杂使高熵合金微观组织由以FCC1相为主的树枝晶转变为以FCC1相和共格纳米析出相FCC2为主的等轴晶，并伴有微米级TiB2相析出。其中Al0.2Co2.0FeNi2.0Ti0.5B1.5高熵合金的纳米硬度、弹性模量和室温磨损率分别为23.6 GPa、248.6 GPa和3.1 × 10-7 mm3∙N-1∙m-1，其耐磨性优于Stellite-6合金。这归因于B的间隙固溶强化效应，以及微米级TiB2和纳米析出相FCC2诱导的多级沉淀强化效应。 |
| Other Abstract | 无 |
| MOST Discipline Catalogue | 工学 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/30057 |
| Collection | 固体润滑国家重点实验室（LSL） |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 辛本斌. 非金属掺杂对高熵合金力学和高温摩擦学性能的影响机制[D]. 北京. 中国科学院大学,2021. |
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