| 题名 | 高熵合金及其复合材料的微观组织和高温摩擦磨损性能 |
| 作者 | 郭志明 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 孟军虎 |
| 关键词 | 高熵合金 复合材料 微观组织 力学性能 高温摩擦学性能 High entropy alloy Composite Microstructure Mechanical properties High temperature tribological properties |
| 学位名称 | 工学博士 |
| 其他题名 | 无 |
| 学位专业 | 材料学 |
| 英文摘要 | 鉴于高熵合金特殊的组织结构和优异的综合性能，使其有望成为新一代高性能结构材料。但迄今为止，高熵合金的摩擦学性能研究较少。因此，我们开展了高熵合金高温摩擦磨损性能的研究工作。本论文以高温等苛刻工况下的应用需求为导向，以几类典型的高熵合金为基体材料，设计和制备了一系列高熵合金及其复合材料，系统地研究了其物相组成、显微组织、力学和高温摩擦学性能，分析了其强韧化机理及高温摩擦磨损与润滑机制，为高熵合金的工程化应用及新一代高性能金属基自润滑耐磨材料的开发提供一定的参考。本文的主要研究内容和结果如下： 1. 以预合金粉末CoCrFeNiMn添加不同质量分数的Cr3C2粉末为原料，通过SPS技术成功制备了CoCrFeNiMn-Cr3C2复合材料。所制备的复合材料微观组织均匀致密，复合材料均由基体FCC相和Cr7C3相组成。随着添加Cr3C2质量分数的提高，复合材料的硬度、屈服强度逐渐升高。当CoCrFeNiMn高熵合金中添加10%的Cr3C2时，其磨损率从室温到800 °C范围内均降低，这主要由于Cr7C3相对高熵合金的第二相强化作用。 2. 在CoCrFeNiMn-10%Cr3C2复合材料的基础上，添加不同质量分数的润滑剂Ag，利用SPS技术成功制备了具有自润滑性能的复合材料。CoCrFeNiMn-Cr3C2-Ag复合材料由基体FCC相、Cr7C3和Ag组成。随着Ag含量的增加，CoCrFeNiMn-Cr3C2-Ag复合材料的硬度和强度下降，但其断裂应变和断裂韧性提高。CoCrFeNiMn-Cr3C2-Ag复合材料在较低温度下具有良好的自润滑性能，摩擦系数和磨损率较低，但在高温下摩擦系数和磨损率急剧升高。结合复合材料的力学和摩擦学性能，CoCrFeNiMn-Cr3C2-15%Ag具有较好的综合性能。在此基础上，通过SPS技术制备了CoCrFeNiMn-Cr3C2-Ag-CaF2/BaF2复合材料。随着CaF2/BaF2共晶氟化物质量分数的增加，CoCrFeNiMn-Cr3C2-Ag-CaF2/BaF2复合材料的屈服强度和断裂韧性下降。CoCrFeNiMn-Cr3C2-Ag-CaF2/BaF2复合材料在不同温度下的摩擦系数均降低（除400 °C）；而添加15%的共晶氟化物CaF2/BaF2后，复合材料的磨损率在400 °C到800 °C条件下有很大程度的降低。CoCrFeNiMn-Cr3C2-Ag-CaF2/BaF2复合材料在较低温度条件下由于强度降低磨损率有所升高，但在高温条件下复合材料表面生成氧化釉质层和铬酸盐，可提高复合材料的耐磨性。 3. 在AlCoCrFeNi高熵合金中添加不同质量分数的Cr3C2，通过SPS技术制备了AlCoCrFeNi-Cr3C2复合材料。AlCoCrFeNi-Cr3C2复合材料由FCC相、有序BCC相、无序BCC相、Cr7C3相组成，Cr7C3相均匀的分布于高熵合金基体中。随着添加Cr3C2质量分数的提高，AlCoCrFeNi-Cr3C2复合材料的屈服强度提高，但其断裂应变下降。AlCoCrFeNi-Cr3C2复合材料在不同温度下的摩擦系数均变大；而磨损率在室温和200 °C条件下降低，在高温条件下变化较小。综合其力学和摩擦学性能，AlCoCrFeNi-10%Cr3C2复合材料具有最佳的性能。在此基础上，添加Ag和CaF2/BaF2共晶氟化物作为固体润滑剂，应用SPS技术成功制备了AlCoCrFeNi-Cr3C2-Ag-CaF2/BaF2复合材料。加入固体润滑剂后，AlCoCrFeNi-Cr3C2-Ag-CaF2/BaF2复合材料在室温到800 °C的摩擦系数均降低，磨损率在室温、200 °C和800 °C降低。AlCoCrFeNi-Cr3C2-Ag-CaF2/BaF2复合材料在较低温度下Ag起到了一定的润滑作用，而在高温条件下，由于氧化釉质层和铬酸盐的形成，使复合材料摩擦系数和磨损率得到改善。 4. 通过在NbTaWMo高熵合金中引入Si元素，采用SPS制备了NbTaWMoSix系列高熵合金。NbTaWMo难熔高熵合金由单一的BCC相组成，而NbTaWMoSix (x=0.25，0.5，0.75)系列高熵合金由BCC相和(Nb，Ta)5Si3两相组成。NbTaWMoSix高熵合金具有较高的硬度和强度，并且随着Si含量的提高，高熵合金的硬度和强度逐渐升高。NbTaWMoSi0.25难熔高熵合金在1200 °C的屈服强度高达926 MPa，断裂应变达13.11%。NbTaWMoSi0.25难熔高熵合金从25 °C到800 °C摩擦系数较NbTaWMo高熵合金变化较小，但其耐磨性显著改善。NbTaWMo和NbTaWMoSi0.25难熔高熵合金在室温到中温阶段的主要磨损机制为磨粒磨损，而在高温阶段主要表现为磨粒磨损和氧化磨损的综合作用。 |
| 学科主题 | 不填 |
| 目次 | 不填 |
| DOI标识 | 不填 |
| URL标识 | 查看原文 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.licp.cn/handle/362003/26403]  |
| 专题 | 兰州化学物理研究所_OSSO国家重点实验室 |
| 作者单位 | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 郭志明. 高熵合金及其复合材料的微观组织和高温摩擦磨损性能[D]. 北京. 中国科学院大学. |
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