基于电热特性的铸态四元高熵合金多尺度结构调控及微观机制研究

The technology of arc melting is used to prepare the as-cast AlxCrFeNiy quaternary high entropy alloys with high electrothermal performance by the enhancements of chemical homogeneity, different microstructures and inherently nano-phase precipitation. In micron scale, the formation of phases, laws of microstructural evolution and elemental distributions are investigated during the alloy solidification. So solidification phases and morphology of alloys could be precisely controlled. In nano scale, the nucleation and growth kinetics of AlNi precipitation are investigated in order to control the morphology, characteristic scale, volume fraction and distribution of nano-phases. In atomic scale, by investigating the lattice distortion laws, the structural characteristics of point defects and lattice constants and relevant electrical structures of solid solutions, the control of carrier density and structural defects will be acquired. In the part of electrothermal performance, the properties like resistivity, temperature coefficient of resistance, resistance of corrosion and oxidation at high temperatures and high temperature mechanical properties are influenced by chemical compositions solidification rates, heat treatment temperatures and so on. Upon above, the electrothermal performance will be controlled. Finally, based on the structural control in all relevant length scales, a relation model between compositions, microstructures, crystal defects and electrothermal performance will be built. This work provides a theoretical basis of structural control on solidification of quaternary high entropy alloys, which is also important to develop a new type of electrothermal alloy with excellent properties.

本项目采用电弧熔炼技术制备成分均匀、结构各异及自生纳米相的高电热特性AlxCrFeNiy四元高熵合金。在微米尺度上，通过揭示合金凝固组织形成演化规律及组元分布情况，实现凝固组织与结构的调控。在纳米尺度上，通过揭示相变过程中纳米相的形核和生长动力学，实现纳米AlNi相形态、尺寸、含量及分布的调控。在原子尺度上，通过揭示合金固溶体中的晶格畸变规律，分析所引起点缺陷的结构特性，研究固溶体结构的晶格常数及相关电子结构，实现对载流子浓度及缺陷的结构调控。在性能测试上，通过揭示电阻率、电阻温度系数、高温耐腐蚀性、高温抗氧化性、高温力学性能等电热性质随合金成分、凝固速率、热处理温度等因素变化的规律，实现对合金电热特性的调控。最后基于多尺度的结构调控，建立成分、结构、晶体缺陷与合金电热特性的关系模型。本项目研究为掌握四元高熵合金的凝固组织结构调控奠定理论基础，亦可为制备高性能电热合金提供新思路。

本项目基于四元高熵合金研究现状，考虑到合金电热特性与元素有关的特点，选取对电热合金特性具有重要作用的四种元素，研究了凝固速度、元素含量、熔炼工艺对高熵合金凝固组织、纳米相、原子结构和电热性能的影响规律，结果如下：.AlxCrFeNi合金由AlNi金属间化合物和[Fe, Cr]无序固溶体组成，基体呈现出致密的网状调制结构，铸态All.2CrFeNi合金的[Fe, Cr]相上弥散分布着纳米AlNi颗粒；均匀化退火过程中出现的Ostwald熟化会使[Fe, Cr]固溶相上纳米AlNi颗粒消失。受固溶强化和细晶强化影响，随着Al含量的增加，AlxCrFeNi合金整体呈现出压缩断裂强度增加和压缩应变降低的趋势；均匀化退火后合金的室温压缩性能较铸态有所下降。All.3CrFeNi合金在900 ℃和1000 ℃下均为抛物线型氧化行为，但合金在900 ℃下抗氧化性更好。随着Al含量的增加，AlxCrFeNi合金的电阻率也随之增大，经过均匀化退火，合金整体电阻率下降；合金的热导率会随温度升高而显著增加，但在温度一定时，合金热导率随Al含量变化出现无规律波动；均匀化退火会在一定程度上增加合金的热导率。.为了对比在上述研究基础上继续研究了CrFeNi基体中Ti元素的析出强化作用。CrFeNiTix合金相结构由CrFeNi固溶体(FCC)、[Fe, Cr]的固溶体相(BCC)和Ni3Ti金属间化合物(HCP)组成，以及少量Ni2.67Ti1.33高温相。在CrFeNiTi0.4合金枝晶中均匀分布着大量圆形(Ni, Ti)纳米析出相。经均匀化退火后，合金中Ni2.67Ti1.33亚稳相逐渐消失，合金以枝晶和粒状结构混合为主，成分偏析减弱，圆形(Ni, Ti)纳米颗粒发生熟化并长大为针棒状结构。合金的硬度随Ti含量的添加而增大，硬脆Ni3Ti金属间化合物的析出使热处理后合金硬度明显提高。受析出强化和固溶强化的影响，铸态CrFeNiTix合金的压缩强度随着Ti含量的增加而提高，退火后合金的压缩强度和塑性变形明显降低。随Ti含量增加，CrFeNiTix合金的电阻率增加，而其热导率下降。而退火后，电阻率整体有小幅度的下降，热导率均有提高。.本项目的研究不仅为设计出优质的四元系高熵电热合金材料提供理论依据，还为高熵合金中纳米析出强化相对合金组织及性能及其强化机理影响的研究具有重要的指导。