高熵合金的显微组织、力学性能和加工工艺及其在航空发动机中的应用前景:综述

科技   2024-11-14 17:02   江苏  

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长三角G60激光联盟导读

俄罗斯南乌拉尔国立大学科研人员综述了高熵合金的显微组织、力学性能和加工工艺及其在航空发动机中的应用前景。相关论文以“An overview of microstructure, mechanical properties and processing of high entropy alloys and its future perspectives in aeroengine applications”为题发表在《Materials Science for Energy Technologies》上。 

现代工程应用不断努力开发具有良好显微组织稳定性、更高力学性能、耐腐蚀性和更低维修成本的高性能机械部件。这就需要广泛使用高熵合金(HEA)等先进的高性能材料。这些合金由五种或更多等量或大量的合金元素组合而成。HEA中的合金元素含量约为5%至35%。其主要特点是熵大、扩散慢、晶格畸变严重和鸡尾酒效应。由于其在更大的温度跨度和更长的时间内都具有先进的显微组织稳定性,因此在常温、低温和高温下都能表现出更好的机械特性。HEA元素含量的多样性和明显较高的混合熵使其在力学性能上优于传统金属和合金。它还显示出更好的强度重量比。因此,它有资格成为航空发动机应用的一种可能的结构和功能材料。

本文简要回顾了有关HEA的研究。对HEA的四种核心效应进行了基本解释。讨论了 HEA的显微组织和力学性能。简要介绍了制造HEA的加工路线(电弧熔化、布里格曼凝固、机械合金化和气相沉积)。介绍了热处理对HEA力学性能和显微组织的影响。简要讨论了用于设计HEA的CALPHAD模型模拟方法。简要介绍了航空发动机应用中HEA的未来研发前景。
关键词:高熵合金;显微组织;力学性能;加工;热处理;航空发动机

图1.工程材料与HEA的断裂韧性和屈服强度比较。

图2.HEA中4种核心效应示意图。

图3.选定的HEA与Al和Mg合金、工业相关钢材以及亚稳态MEA常温下的力学性能比较。

图4.BCC纯金属、经典稀合金和HEA的晶格畸变示意图。字母A至E通常代表各种元素种类。

图5.与304不锈钢、Inconel 713、5083铝和Ti-6Al-4V合金等常用合金相比,大多数受研究的HEA在室温下的拉伸屈服应力与延展性对比。

图6.三种HEA的屈服应力与温度的关系。

图7.A)在900 MPa下进行5,55,235次循环后疲劳测试断裂表面的SEM图像;b)疲劳测试前表面发现的微裂纹;c)裂纹扩展区的疲劳条纹;d)最终断裂区域的凹陷。

图8.HEA的加工路线。

图9.电弧熔化和铜模铸造的铝钴铬铁镍HEA圆柱形试样的光学显微结构。

10.布里格曼凝固示意图

图11.Al2CoCrFeNiSi HEA涂层的显微结构:a) CoCrCuFeNi;b-d)SEM、EBSD和晶界角度分布。

图12.行星球磨和MA的不同阶段。

图13.SPS粒子的显微照片a)和b)AlCoCrCuFe;c)和d)CoCrCuFeNi。

图14.在不同温度的高温炉中加热3小时后,铸态铝钴铬铁镍HEA枝晶间区域的BSE图像:a)铸态;b)850℃;c)975℃;d)1100℃;e)和f)1200℃。

图15.航空发动机中的高温段截面。

与其他材料相比,HEA能更好地整合拉伸特性,同时提高强度和延展性。FCC结构的HEA强度低、塑性高,而BCC结构的HEA强度高、塑性低。因此,HEA的强度和硬度主要取决于其结构特性。

HEA在常温、低温和高温条件下均表现出优异的力学性能,除了具有优越的机械特性外,还具有很强的耐腐蚀性和耐久极限。

热处理对HEA的显微组织发展和机械特性影响很大。为了获得合适的显微组织特征并提高 HEA的机械完整性,必须对热处理进行优化。持续时间、淬火介质、加热和冷却速率对HEA 的显微组织和机械特性的影响也非常关键。

HEA必须能够以相同和不同的结构进行焊接和增材制造,以便在实际工程应用中具有可行性。这就要求对HEA的同种和异种焊接进行广泛的研究工作。

HEA为航空发动机结构和功能材料的应用提供了一种前景广阔的方法。HEA可与传统合金系统结合使用,满足不同工作环境的要求。



论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.mset.2023.07.004

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