香港城市大学研究生(香港城市大学研究生申请条件)



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导读:本文系统研究了两种L12强化高熵合金(HESA)在700°C下的氧化行为和机械性能,结果表明,通过用Nb代替Ti并略微优化机械性能,抗氧化性得到显著提高。Nb取代Ti促进了连续Cr 2O3的形成,AlNbO4和Al2O3层,并导致抗氧化性的显著提高,从而突出了Nb-轴承HESA作为高温结构材料的巨大潜力。

开发具有卓越高温性能的先进结构材料,一直是提高能源系统效率和可持续性的艰巨任务。基于一个或两个主要元素的传统合金设计策略正在接近其极限,以进一步提高性能。作为一种新颖的合金设计理念,由多主要成分组成的高熵合金(HEA)由于其许多有趣的性能而引起了人们的极大兴趣。例如,最具代表性的HEA,即具有单FCC晶体结构的等原子NiCoFeCrMn合金,表现出出色的损伤耐受性和断裂韧性,特别是在低温下。然而,已经发现大多数单FCC HEA系统的屈服强度仍然不足以用于实际的结构应用,特别是在高温下。

得益于L1固有的延展性和出色的热稳定性2颗粒,这种类型的HESA在宽温度窗口中表现出作为结构材料的巨大潜力,特别是在600-800°C高温的中间温度范围内。近日,Yang等人介绍了一种高密度的延展性多组分金属间纳米颗粒化合物,实现~1.5 GPa的超强极限拉伸强度和高达~50%的延展性。此外,Yang等人研究了Ni-30Co-13Fe-15Cr-6Al-6Ti-0.1B(at%)HESA的热稳定性和机械性能,经过双相时效过程后,在700°C下可以达到1.0 GPa的超强拉伸强度和~9%的延展性,卓越的性能使L12-加强HESA作为中温工程应用承重材料的竞争性候选材料。

在高温循环氧化过程中,传统的CM247LC镍基高温合金表现出比含钛L1更好的抗氧化性。由于存在含钛氧化物,HESA得到加强。结果表明,随着Ti/Al比的提高,拉伸强度显著增强,而多孔和非保护性TiO2的形成加速。表面上极大地损害了它们的抗氧化性。因此,迫切需要进行成分优化以提高L12的抗氧化性。在不牺牲机械性能的情况下强化HESA。

基于上述分析,与Ti轴承系统相比,Nb轴承HESA系统有望同时提高机械性能和抗氧化性。然而,对不同HESA体系的机械性能和氧化行为的精确理解很少得到系统和定量的研究。因此,在这项研究中,香港城市大学、国立台湾海洋大学、哈尔滨工业大学、国立清华大学吴凯、刘绍飞等人对L12-强化HESA( (Ni2Co2FeCr)92Nb4Al4 and (Ni2Co2FeCr)92Ti4Al4)在700°C时的机械性能和抗氧化性进行了全面的研究。特别是对变形行为、氧化动力学和尺度构成进行了系统评价。基于研究结果,本研究着力揭示其在高温下的氧化机理,探讨Nb-轴承L12-在中温环境下强化高附加大气层。的适用性本文以题“Oxidation behaviors and mechanical properties of L12-strengthened high-entropy alloys at 700℃”发表在Corrosion Science 上。

链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010938X22004176

在HESA中,抗拉强度和延展性随着Ti被Nb取代而同时增强。与 (Ni2Co2FeCr)92Ti4Al4,(Ni2Co2FeCr)92Nb4Al4极限抗拉强度为从783 MPa增至890 MPa,断裂伸长率由8.3%微增至10.1%。Nb的合金添加可以帮助显着降低氧化动力学并增强抗氧化性。

图 1.(a) 两种研究的HESA在氧化前的XRD曲线。(b)Ti-HESA和(c)Nb-HESA的(220)衍射峰的反卷积,显示L1之间的晶格失配2沉淀和FCC基质。

图 2.SEM微观结构位于(a1) 低放大倍率和 (a2) 高放大倍率,以及 (a3Ti-HESA的暗场TEM图像;(b)处的扫描电镜微观结构1) 低放大倍率和 (b)2) 高放大倍率,以及 (b)3)Nb-HESA的暗场TEM图像。

图 3.Ti-HESA和Nb-HESA在700°C下的拉伸性能。

图 4.两种HESA在700°C下氧化360小时的氧化动力学:(a)质量变化与氧化时间的函数关系,(b)拟合的平方质量增益线。

图 5.(a)Ti-HESA和(b)Nb-HESA在700°C下氧化24 h和360 h的XRD模式。

图 6.(a)Ti-HESA和(b)Nb-HESA在700°C下氧化24 h的表面氧化物的形貌和相应的元素分布。

图 7.(a)Ti-HESA和(b)Nb-HESA在700°C下氧化360小时的表面氧化物的形貌和相应的元素分布。

图 8.700 °C氧化1 h后(a)Ti-HESA和(b)Nb-HESA的氧化物层的STEM明场图像和相应的EDS图,以及(c)Ti-HESA和(d)Nb-HESA氧化物层的SADPs。

图 9.在700 °C下氧化24 h后Ti-HESA氧化物层的STEM-EDS图,以及STEM图像中相应区域1-3的SADP。

图 10.在700 °C下氧化24 h后Nb-HESA氧化物层的STEM-EDS图,以及STEM图像中相应区域1-3的SADP。

在HESA中,Nb取代Ti对氧化动力学和尺度构成具有显著的积极贡献.在 (Ni2Co2FeCr)92Ti4Al4,合金,Nb的有益作用归因于Cr和Al活性的增强,有利于保护Al的生长2O3和AlNbO4.此外,富氮化管 D019晶界沉淀物还通过短路抑制Fe和Cr向外扩散,从而抑制铁尖晶石和氧化铬的生长,从而有助于产生积极作用。

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