摘要
传统高温合金中，镍基合金承温温度已经接近合金本身的熔点，难以再提高，钴基高温合金因出色的抗热腐蚀、抗热疲劳以及焊接性能，在高温环境下具有潜在应用价值。然而，由于其缺乏在高温条件下能稳定存在的γ''相，导致其高温强度不足，这在一定程度上限制了其在高温领域的广泛应用。高熵合金多主元设计理念显著增加其体系混合熵、高的晶格畸变以及慢扩散效应，这导致合金具有高强韧性、耐高温及耐腐蚀等综合优异性能，有望成为下一代发动机叶片、燃气轮机等热端部件材料。本课题以Co基CoCrFeNi系高熵合金作为基体，通过添加Al、Ti、Mo、Si等元素，以固溶强化、细晶强化、析出强化等多种方式提高合金综合力学性能，利用XRD、SEM以及EBSD等来进行分析，研究了析出相、孪晶、相变等微观组织演变机理。得到的主要结论如下： (1) 通过Al微合金化对CoCrFeNi系高熵合金进行调控，发现随着Al含量的变化Co40Cr25(FeNi)35-xAlx高熵合金的相组成为单一FCC结构，Al含量的递增导致高熵合金的抗拉强度、延伸率呈现出先增后减的趋势。当Al含量达到1at.%时，合金的综合力学性能达到最优状态，其屈服强度为260.7 MPa，抗拉强度高达639.9 MPa，同时延伸率也达到了81.5%。对变形量为70%的冷轧态Co40Cr25(FeNi)34Al1高熵合金进行退火处理，轧制态合金抗拉强度为1721.8 MPa，延伸率为7.4%。随着退火温度的逐渐上升，在900℃下退火十分钟后，其屈服强度、抗拉强度和延伸率分别达到了628.6 MPa、946.6 MPa和73.7%。合金内部晶粒均为等轴晶，经900℃退火后，失配角分布在60 °处有异常凸起的峰，合金晶粒内存在大量退火孪晶，采用平均线截距法测得晶粒的平均尺寸为7.69μm。由此可见，合金高塑性能力主要来源于TWIP效应（孪晶诱导塑性变形）。 (2) 通过Ti、Mo、Si等对CoCrFeNiAl系高熵合金进行微合金化调控。发现当Ti含量为3 at.%时，晶粒为等轴晶，且分布均匀，晶界处无裂纹。对Ti含量为3 at.%的CoCrFeNiAl系高熵合金基体中添加Mo、Si，结果表明，随着Mo、Si含量比例增大，高熵合金抗拉强度出现峰值，而延伸率则逐渐降低，当Mo、Si原子比为1：2时，屈服强度862.1 MPa，抗拉强度为1147 MPa，延伸率48.7%，高熵合金获得优异的强塑性结合。Mo、Si原子比为1：2的高熵合金晶粒为等轴晶，晶粒尺寸不均匀，晶格取向lt;001gt;和lt;111gt;中间，强度1.76。热轧态Co40Ni26Cr22Al6Ti3Mo1Si2高熵合金存在明显孪晶，断口颈缩明显，为典型韧性断裂。 (3) 对变形量为70%的冷轧态Co40Ni26Cr22Al6Ti3Mo1Si2高熵合金分别进行不同温度时效处理，发现高熵合金在750℃时效条件下，微观组织中可清晰的观察到大量白色析出相，且此时硬度最高为486 HV，合金的屈服强度达到1283.2 Mpa，同时抗拉强度达到1490 Mpa，还能保持29%的延伸率。对冷轧态Co40Ni26Cr22Al6Ti3Mo1Si2高熵合金进行750℃不同时间的时效处理，得出不同时间时效内硬度的增量和时效时间的关系的Johnson-Mehl-Avrami方程，通过析出动力学分析得出合金的时效激活能为78 kJ/mol。合金晶粒内孪晶数量明显减少，表明合金强度的提升主要来源于析出相的强化作用。
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