电磁脉冲处理下高熵合金微结构特征及其影响机制研究

High entropy alloy (HEA), which has excellent performance and broad application prospects, is currently a hot research topic. Importantly, the microstructure of HEA plays a critical role in determining its performance. At present, the microstructures of HEAs are mainly controlled by ways of composition design and post heat treatment, which are relatively single methods and thus limit the development and application of HEA. As a new metallurgical technology, electromagnetic pulse (EMP) treatment plays an important role in improving the melting structure, solidification structure, microstructure, performance of alloys, reducing component segregation and so on. Therefore, we will focus on CoCrFeNiCu alloy with face-centered cubic structure and CoCrFeNiAl alloy with body-centered cubic structure as representative systems in this project, and will introduce EMP treatment in melting and solidification processes of HEAs and investigate the impact of the nature of EMP treatment on solidification structure, microstructure and mechanical properties of HEAs. Moreover, we will study the phase-change characteristics during the solidification process of HEAs under EMP treatment, reveal the action mechanism of EMP treatment on the solidification process of alloy, and explore the controllable preparation of different microstructure. Through this project, we will seek new theories and technologies for the preparation of HEAs and provide theoretical guidance and technical support for their development and application.

高熵合金具有优异的性能和广阔的应用前景，是目前研究的一大热点,而合金中的微结构对合金的性能起着至关重要的作用。目前，高熵合金的微结构主要通过合金成分设计和后续热处理的手段进行控制，方法较为单一，限制了高熵合金的发展及应用。电磁脉冲处理是近些年发展起来的一种冶金新工艺，该技术对合金熔体结构、凝固组织、微结构、合金性能、成分偏析等具有显著影响。因此，本项目拟以典型面心立方结构的CoCrFeNiCu和体心立方结构的CoCrFeNiAl高熵合金为研究对象，将电磁脉冲处理方法介入高熵合金的熔体及凝固过程，研究电磁脉冲处理对高熵合金的凝固组织、微结构及力学性能的影响规律；揭示电磁脉冲处理下高熵合金凝固过程的相变特点及其作用机制，进而探索该处理条件下高熵合金不同微结构的可控制备。通过本项目的研究，寻求制备高熵合金的新理论与新技术，为高熵合金的发展及应用提供理论指导与技术支持。

本项目将电磁脉冲处理技术引入高熵合金领域，研究了电磁脉冲处理具有FCC结构的CoCrFeNiCu、具有BCC结构的CoCrFeNiAl高熵合金凝固组织及性能的调控作用，并提出了脉冲电流在合金凝固过程中的作用机理。通过本项目的研究，开发出了一种制备高熵合金的新技术，为高熵合金的发展及应用提供了一定的理论指导与技术支持。本项目取得以下研究结果：. 1. 对具有FCC结构的CoCrFeNiCu高熵合金凝固过程进行电脉冲处理，会显著改变合金的宏观组织和显微结构，使其由单一的树枝晶形态转变成为树枝晶和类等轴晶混合形态；明显提高了CoCrFeNiCu高熵合金的力学性能，显微硬度、屈服强度分别提高了18%、23%；同时，合金的耐蚀性也得到了显著提高，自腐蚀电流降低了74%；电脉冲处理可以降低合金铸锭不同凝固方向上的性能差异，并随脉冲频率增加，改善效果越明显。. 2. 对具有BCC结构的CoCrFeNiAl高熵合金凝固过程进行电脉冲处理，会显著改善合金的凝固组织，使晶粒细化、组织均匀；合金的力学性能得到明显提高，显微硬度、抗压强度分别提高了39%和12%；电脉冲也同样改善了合金的耐腐蚀性，当脉冲频率为8Hz时，合金的自腐蚀电流下降最多，可达58%；这些性能的提升的同时，合金不同凝固方向上的性能差异随着脉冲频率增加而逐渐减小，在8Hz时趋于相同。 . 3. 揭示了电脉冲作用机制。当进行电脉冲处理时，由于固相与液相较大的电阻差异，绝大部分电流将通过凝固层和枝晶的表面进行传导，枝晶可以看作为一个个并行排列的、伸向合金熔体的“微电极”。由于枝晶表面的曲率、熔体及固相之间巨大的电阻差异，在脉冲电流作用下，由于电磁感应，会在枝晶尖端及枝晶间产生“局域感生磁场”，这些感生磁场相互耦合，导致在固液界面前沿及枝晶间产生大量的微小磁涡流。因此，固液界面前沿、枝晶间的合金熔体受到局部涡流的扰动，从而影响了枝晶前沿的原子分布及对流，决定了电脉冲处理的最终效果，即抑制枝晶生长、降低成分偏析、降低各向异性、提高固溶强化效果。