面心立方结构多主元高熵合金凝固机制的同步辐射研究

The FCC structured multi-component high entropy alloys possess many excellent comprehensive mechanical properties with a good prospect of industrial application. Yet the study of the mechanism of solidification is the key to this kind of alloy industrial application theory basis. But the abundant elemental kinds and contents, complex atomic interaction along with the opacity of the alloys lead to the difficulty of observing the solidification process and researching the solidification mechanism. At present, the theoretical and experimental research on the solidification mechanism of multi-component high entropy alloys are very lacking. The project is based on this, which will use the high-energy x-ray synchrotron radiation in situ imaging, 3D reconstructed and diffraction techniques to observe the real-time solidfication process and 3D reconstructed imagines of the typical FCC structured high entropy alloys to achieve the whole solidification process and the solidification structure quantitative measurement, as well as how to influence solidification process by solidification parameters, e.g., solidification rate, temperature gradient etc. On the basis on the studies above, the interaction laws and dependencies between the different groups of atoms in the complex multi-component high entropy alloys systems will be explored. Finally, the theoretical model of alloy nucleation and growth will be established, which will lay a solid theoretical foundation of the industrial application of the alloys.

面心立方结构多主元高熵合金具备很多优异的综合性能，具有良好的工业应用前景，对其凝固机制的研究是该类合金工业化应用的关键理论基础。然而该类合金的元素种类和含量较多，多原子交互作用强烈，加上合金的不透明性使得其凝固过程的实验观测十分困难，对其开展凝固机制研究带来了极大的不便，目前关于多主元高熵合金凝固理论的实验和理论研究均十分缺乏。本项目基于高能同步辐射硬X射线原位成像、三维立体成像与衍射技术，实现对具有面心立方结构的典型高熵合金的凝固过程进行实时观测、凝固组织三维立体重构与原位衍射表征，可对其整个凝固过程以及合金完全凝固后的组织结构等进行精准的定量测量，并探索凝固速度、温度梯度等主要凝固参量对其凝固过程的影响机制，从而揭示面心立方结构多主元高熵合金这一复杂体系中不同组元原子间的相互作用规律与依赖关系，建立该类合金形核和生长的理论模型，为该类合金的工业化应用奠定坚实的理论基础。

高熵合金是最近一些年发展起来的一类新型合金，研究发现面心立方结构的高熵合金铸态时就表现出极好的塑性和可加工性及高的组织稳定性，具备很多优良的综合性能，具有广阔的工业应用前景。对其凝固机制的研究是该类合金工业化应用的基础，然而该类合金的元素种类和含量较多，多原子交互作用强烈，对其开展凝固机制研究带来了极大的不便，目前关于高熵合金凝固理论的实验和理论研究均十分缺乏。. 鉴于此，本项目结合同步辐射技术，对面心立方结构的典型高熵合金的凝固过程进行研究分析、对凝固组织进行三维立体重构与原位衍射表征，并探索凝固速度、温度梯度等主要凝固参量对其凝固过程的影响机制，揭示面心立方结构多主元高熵合金凝固机制，为该类合金的工业化应用奠定坚实的理论基础。研究发现，面心立方结构高熵合金实质上是一种过饱和固溶体，其生长各向异性较弱，二次枝晶臂不发达，在凝固时倾向于形成胞状结构或等轴晶结构，在定向凝固条件下易于形成单晶。凝固速度会影响面心立方结构高熵合金的晶粒尺寸，凝固速度较快时，晶粒较为细小，冷却时热流方向具有方向性时，晶粒朝着和热流相反的方向生长。凝固时各原子扩散较为缓慢，凝固后常常有纳米析出相形成或调幅分解结构形成。面心立方结构的高熵合金晶格畸变严重，没有溶质和溶剂原子之分，互为溶质和溶剂原子，晶粒内部元素分布较为均匀。由于面心立方高熵合金元素种类较多、元素含量较高使得位错移动速度较慢，反而有利于高熵合金的塑性变形。面心立方结构高熵合金的特性使得其从低温到高温都具有良好的塑性变形能力，具有广阔的工业应用前景。目前的研究结果表明，面心立方结构高熵合金是一个可精确熔炼控制成分和组织，制备成大体积铸锭，可在宽温域条件下使用的一类新型高性能结构功能一体化材料。. 在本项目的资助下共发表SCI论文25篇（已标注本基金号），EI论文2篇（已标注本基金号），获批发明专利3项，完成了所有预定的研究内容，达到了预期目标。