陸杰波，吳博，馬騰飛，王曉紅，李傲，董多，朱冬冬

大尺寸(CrCoNi)94Al3Ti3中熵合金凝固行為

陸杰波，吳博，馬騰飛*，王曉紅，李傲，董多，朱冬冬

（衢州學(xué)院 浙江省空氣動(dòng)力裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 衢州 324000）

制備大尺寸(CrCoNi)94Al3Ti3中熵合金（MEAs），并研究其凝固行為。利用水冷銅坩堝懸浮熔煉技術(shù)制備大尺寸鑄錠，通過金相（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、能譜（EDS）等手段表征合金不同半徑處的凝固組織和偏析行為，并采用Jmpro數(shù)值模擬軟件預(yù)測(cè)合金可能存在的相，揭示大尺寸(CrCoNi)94Al3Ti3MEA的凝固特點(diǎn)。大尺寸(CrCoNi)94Al3Ti3MEA的凝固組織為典型柱狀樹枝晶，隨著冷卻速率的變化，柱狀晶形態(tài)和尺寸發(fā)生了明顯變化。在凝固過程中，Ni、Al、Ti元素表現(xiàn)為枝晶間偏析，隨著冷卻速率的降低，偏析程度逐漸增大。(CrCoNi)94Al3Ti3基體為面心立方結(jié)構(gòu)（FCC），在枝晶間（ID）存在少量塊狀的η相金屬間化合物(Ni,Co)3(Al,Ti)，同時(shí)在ID區(qū)域形成了大量不同納米尺寸的L12相。結(jié)合相圖可知，大尺寸(CrCoNi)94Al3Ti3MEA的凝固路徑為L(zhǎng)→L+γ→L+γ+η→γ+η→γ+γ￠+η。水冷銅坩堝懸浮熔煉技術(shù)制備的大尺寸(CrCoNi)94Al3Ti3MEA無宏觀偏析，該技術(shù)可以作為工程應(yīng)用手段。

中熵合金；懸浮熔煉；凝固行為；組織演變

2004年，Yeh等[1]首次正式提出了高熵合金（HEAs）這一種新型合金的概念和定義。中/高熵合金（M/ HEAs）是由多種等量或近等量的金屬組元組成的一種新型合金，具有優(yōu)異的性能，如耐磨、耐腐蝕、高強(qiáng)度、高硬度等，有潛力成為下一代高性能金屬材料[2-5]。CrCoNi MEA具有面心立方結(jié)構(gòu)，在室溫下具有優(yōu)異的塑性及抗拉強(qiáng)度，在低溫下，CrCoNi MEA的力學(xué)性能能夠進(jìn)一步提高，在77 K時(shí)，強(qiáng)度和塑性分別達(dá)到1.3 GPa和90%，是一種理想的新型低溫材料[6-8]。然而CrCoNi MEA在室溫下的屈服強(qiáng)度較低，這嚴(yán)重限制了其適用性。目前通過微量合金化提高合金強(qiáng)度是一種有效的強(qiáng)化方式[9]。添加微量的大原子半徑元素，如W、Mo、Ta等，可以產(chǎn)生更嚴(yán)重的晶格畸變，增大晶格摩擦力，進(jìn)而顯著提高合金強(qiáng)度[10-12]。Xue等[13]研究表明，(CrCoNi)93.5Mo6.5MEA的屈服強(qiáng)度達(dá)到476 MPa，與相同狀態(tài)下的CrCoNi MEA（屈服強(qiáng)度為368 MPa）相比，屈服強(qiáng)度明顯提高。另外，在CrCoNi MEA中添加微量Al和Ti元素，可以在增強(qiáng)晶格畸變效應(yīng)的同時(shí)，析出大量納米增強(qiáng)相，從而大幅度提高CrCoNi MEA的強(qiáng)度[14-16]。Zhao等[17]研究表明，(CrCoNi)94Al3Ti3MEA具有約1.3 GPa的高強(qiáng)度和近45%的延伸率。

目前大多采用真空電弧熔化法制備M/HEAs[18-20]，但該方法對(duì)真空度的要求較高，重熔次數(shù)多，制備的鑄錠體積小，難以應(yīng)用于工程化生產(chǎn)。在現(xiàn)有技術(shù)中，水冷銅坩堝懸浮熔煉技術(shù)適用于制備大尺寸高活性金屬[21-22]。該方法可以減少坩堝對(duì)熔煉金屬的污染，確保合金純凈度，且熔煉時(shí)的加熱效率高、速度快，可以實(shí)現(xiàn)中高熵合金由實(shí)驗(yàn)室研制向工程化應(yīng)用的過渡。然而，由于不同熔煉工藝制備的鑄錠凝固組織存在差異，同時(shí)，隨著鑄錠尺寸的增大，尺寸效應(yīng)將影響合金的凝固路徑和相組成，最終影響合金的服役性能和加工性能，因此需要對(duì)水冷銅坩堝懸浮熔煉技術(shù)制備的大尺寸中熵合金的凝固行為進(jìn)行研究。

基于以上分析，本文通過水冷銅坩堝懸浮熔煉技術(shù)制備了公斤級(jí)(CrCoNi)94Al3Ti3MEA鑄錠，對(duì)鑄錠不同部位的微觀組織結(jié)構(gòu)、相組成及偏析行為進(jìn)行了表征和分析，揭示了大尺寸(CrCoNi)94Al3Ti3MEA的凝固行為，以期為今后中高熵合金的研究以及工程化應(yīng)用積累數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

采用水冷銅坩堝懸浮熔煉技術(shù)制備質(zhì)量為2 kg的(CrCoNi)94Al3Ti3（原子數(shù)分?jǐn)?shù)，下同）合金，熔煉過程在高純Ar氣氛下進(jìn)行。原材料為663.98 g的Ni顆粒（純度99.95%）+666.70 g的Co顆粒（純度99.95%）+588.22 g的Cr顆粒（純度99.95%）+29.23 g的Al顆粒（純度99.95%）+51.86 g的Ti顆粒（純度99.95%），并且鑄錠重熔3次以確保成分的均勻性。取樣方式為從鑄錠縱剖面的中心、1/2（為半徑）和邊部取樣，將樣品分別命名為A1、B1和C1。

1.2 樣品制備與表征

對(duì)樣品進(jìn)行機(jī)械研磨，采用標(biāo)準(zhǔn)金相制備方法進(jìn)行制樣。使用電解拋光腐蝕溶液（高氯酸+乙醇，體積分?jǐn)?shù)分別為10%和90%）在15 V下對(duì)觀察面進(jìn)行電解拋光。使用OM觀察樣品凝固組織的宏觀形貌，并使用SEM（日立SU8010）在15 kV下對(duì)樣品的微觀組織進(jìn)行表征。最后通過EDS對(duì)各相成分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并分析合金的偏析程度。使用JmatPro軟件模擬合金凝固時(shí)可能存在的相（選取Ni基合金的數(shù)據(jù)庫(kù)）。

2 結(jié)果與分析

2.1 理論計(jì)算

為了預(yù)測(cè)(CrCoNi)94Al3Ti3MEA凝固過程中可能出現(xiàn)的相，使用JmatPro軟件對(duì)合金系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算。獲得的(CrCoNi)94Al3Ti3MEA在600～1 400 ℃時(shí)的相圖如圖1所示。各相的初始析出溫度如表1所示?？梢钥闯?，預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的相為Gamma（γ）、Gamma-prime（γ￠）、Sigma和M2。

2.2 凝固組織

鑄錠不同取樣部位的OM圖如圖2所示，其中白色區(qū)域?yàn)橹Ц桑―R），黑色區(qū)域?yàn)橹чg（ID）?？梢钥闯觯探M織均為樹枝晶結(jié)構(gòu)，但不同位置呈現(xiàn)出的形貌不同：鑄錠邊部組織為細(xì)長(zhǎng)枝晶形態(tài)；1/2處的枝晶短且粗，另外二次枝晶生長(zhǎng)明顯；鑄錠心部為等軸樹枝晶。凝固組織轉(zhuǎn)變與鑄錠冷卻行為密切相關(guān)。在鑄錠邊部，合金液與水冷銅坩堝接觸，具有最高的冷卻速率，另外側(cè)向散熱明顯，形成了較大的溫度梯度。為了更清晰地表達(dá)鑄錠凝固時(shí)的熱流狀態(tài)，繪制溫度變化曲線如圖2d所示（實(shí)線為溫度分布；點(diǎn)線為冷卻速率）。由于水冷坩堝迅速帶走了熱量，因此與坩堝接觸處優(yōu)先形核，在較大的溫度梯度下，具有擇優(yōu)取向的晶坯獲得了更有利的生長(zhǎng)條件，進(jìn)而迅速生長(zhǎng)，沿平行于熱流方向生長(zhǎng)形成枝晶干，并抑制枝晶向其他方向生長(zhǎng)，最終形成細(xì)長(zhǎng)枝晶形態(tài)。然而鑄錠內(nèi)部的熔體只能通過固液界面以及內(nèi)部對(duì)流進(jìn)行熱量傳導(dǎo)，冷卻速率以及溫度梯度向內(nèi)不斷減小。晶坯擇優(yōu)取向生長(zhǎng)減弱，這導(dǎo)致沿平行熱流方向生長(zhǎng)的枝晶干減少。另外，冷卻速率的降低導(dǎo)致成分過冷區(qū)增大，柱狀晶體生長(zhǎng)受到抑制。因此，在鑄錠心部，這種枝晶擇優(yōu)生長(zhǎng)完全消失，成分過冷區(qū)的抑制效果達(dá)到最大，同時(shí)較高的成分過冷有效促進(jìn)了形核，進(jìn)而形成了等軸狀樹枝晶。

圖1 (CrCoNi)94Al3Ti3 MEA模擬相圖

表1 (CrCoNi)94Al3Ti3MEA各相的初始析出溫度

Tab.1 Initial precipitation temperature of each phase of (CrCoNi)94Al3Ti3 MEA ℃

為觀察合金熔煉的均勻性，對(duì)B1試樣進(jìn)行EDS面掃分析，結(jié)果如圖3所示，其中深黑色區(qū)域?yàn)镈R，灰白色區(qū)域?yàn)镮D，ID區(qū)域存在塊狀金屬間化合物?？梢钥闯?，Cr、Co、Ni、Al元素在基體中相對(duì)均勻分布，并未發(fā)生明顯偏析。而Ti元素在基體中較少，在ID區(qū)域以及塊狀物中存在明顯的Ti元素偏聚。同時(shí)，金屬間化合物相中缺乏Cr元素，部分Al、Co元素固溶在其中。

A1、B1和C1處的(CrCoNi)94Al3Ti3MEA的微觀組織如圖4所示?？梢郧宄乜吹竭叢繛榧?xì)長(zhǎng)柱狀晶，1/2處的枝晶為發(fā)達(dá)的二次枝晶，心部為等軸狀樹枝晶。同時(shí)，ID的微觀組織也存在差異，C1試樣的元素偏聚現(xiàn)象最為明顯，僅存在少量的塊狀金屬間化合物。在B1試樣中，元素偏聚區(qū)域減少，塊狀金屬間化合物大量增加。在A1試樣中，塊狀金屬間化合物進(jìn)一步增加。對(duì)不同位置的金屬間化合物進(jìn)行點(diǎn)掃分析，發(fā)現(xiàn)其化學(xué)構(gòu)成并未發(fā)生明顯變化，根據(jù)化學(xué)成分推斷金屬間化合物為(Ni,Co)3(Al,Ti)。陳今良等[23]研究發(fā)現(xiàn)，在鑄態(tài)CrCoNiTi0.2MEA中，枝晶間存在大量η相Ni3Ti。沉淀相的EDS點(diǎn)掃描結(jié)果表明，本文中的金屬間化合物富Ni、Ti元素，與Ni3Ti相相對(duì)應(yīng)。

圖2 (CrCoNi)94Al3Ti3 MEA不同區(qū)域試樣的凝固組織OM圖以及鑄錠溫度變化曲線

圖3 (CrCoNi)94Al3Ti3 MEA的EDS面掃圖片

偏析是指合金中的化學(xué)成分不均勻分布。由于在凝固過程中，溶質(zhì)再分配是不可避免的，通常用溶質(zhì)分配系數(shù)（2種固相中溶質(zhì)濃度的比值）來確定各元素的偏析程度，因此，可以采用EDS測(cè)定的DR和ID元素含量的比值來評(píng)價(jià)各區(qū)域的元素偏析行為。3個(gè)試樣中各元素的溶質(zhì)分配系數(shù)如圖5所示?？梢钥闯觯琋i、Al和Ti元素的溶質(zhì)分配系數(shù)小于1，這說明在凝固過程中，Ni、Al和Ti元素在液相的濃度高于固相的，而Cr和Co元素則相反?；w元素Cr、Co、Ni的偏析程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于添加元素Al和Ti的偏析程度，并且由于Ti的原子半徑更大，其偏析程度遠(yuǎn)大于Al元素的。同時(shí)，隨著冷卻速率的降低，合金內(nèi)部的偏析行為進(jìn)一步加重。這是由于在較快的凝固速率下，液-固界面快速推進(jìn)，界面前端的溶質(zhì)原子未來得及擴(kuò)散即形成固相。由于內(nèi)部Ti元素偏析更嚴(yán)重，因此，心部位置沉淀相的體積分?jǐn)?shù)更高。

不同區(qū)域析出相形貌如圖6所示。從圖6a可以看出，塊狀金屬間化合物相為共晶組織狀。由文獻(xiàn)[24]可知，共晶相為富Ni、Ti元素的相以及富Co、Ti的相。但由于在(CrCoNi)94Al3Ti3中熵合金中，Ti元素與Ni元素之間的混合焓在合金體系中最高，因此Ti優(yōu)先與Ni元素結(jié)合形成金屬間化合物。Ti元素含量較少，在與Ni元素結(jié)合后被大量消耗，因此僅有少量Ti與Co元素形成金屬間化合物。從圖6b～d可以看出，存在大量納米尺寸的沉淀相，另外沉淀相具有2種不同的尺寸。在元素偏聚區(qū)域以及金屬間化合物附近，納米沉淀相的尺寸相近，然而ID的納米相尺寸半徑最小。由相關(guān)文獻(xiàn)可知，這些納米尺寸的沉淀相均為L(zhǎng)12結(jié)構(gòu)的Ni3(Al,Ti)[25-26]。

表2 (CrCoNi)94Al3Ti3MEA不同區(qū)域的相化學(xué)成分

Tab.2 Phase chemical composition in different areas of (CrCoNi) 94Al3Ti3 MEA at.%

圖5 (CrCoNi)94Al3Ti3 MEA不同區(qū)域元素的偏析系數(shù)

通過模擬預(yù)測(cè)及凝固組織分析確定(CrCoNi)94Al3Ti3MEA凝固組織中存在γ相、γ￠相以及η相。推測(cè)(CrCoNi)94Al3Ti3MEA的凝固路徑如下：L→L+γ，初生γ相在初始凝固階段凝固并形成樹枝晶，隨著γ相的凝固生長(zhǎng)，原先液體中的Al和Ti元素被不斷排入合金液體中，并在固/液界面前端富集；L+γ→ L+γ+η，最后凝固階段，液相中高能量的原子不斷運(yùn)動(dòng)而發(fā)生成分起伏，當(dāng)Ti元素的濃度到達(dá)閾值時(shí)，將形成Ni3Ti金屬間化合物，若最后凝固階段Ti元素的濃度未到達(dá)閾值，則將形成比ID區(qū)域更嚴(yán)重的Ti元素偏析，如圖4c中亮白色區(qū)域所示；L+γ+η→γ+η，最后液相消失，凝固過程結(jié)束，凝固組織中存在γ相與η相；γ+η→γ+γ￠+η，由相圖可知，當(dāng)γ相完全凝固冷卻后，凝固組織將發(fā)生固態(tài)相變，γ相轉(zhuǎn)變?yōu)棣谩橄?。ID區(qū)域的Al和Ti元素比DR區(qū)域的高，可以促進(jìn)γ￠相的析出。另外元素偏聚位置的Ti元素濃度高于周圍枝晶間區(qū)域的，因此形成的γ￠相尺寸略大于枝晶間區(qū)域的γ￠相尺寸。在模擬預(yù)測(cè)中可能存在富Cr、Co元素的sigma相，但在實(shí)際結(jié)果中未發(fā)現(xiàn)明顯的sigma相存在。這是由于在高熵效應(yīng)下，Cr、Co與Ni元素趨向于形成穩(wěn)定的固溶體結(jié)構(gòu)。

圖6 (CrCoNi)94Al3Ti3 MEA的微觀形貌

3 結(jié)論

1）真空感應(yīng)懸浮熔煉制備的(CrCoNi)94Al3Ti3MEA鑄錠凝固組織均為樹枝晶結(jié)構(gòu)。當(dāng)冷卻速率較快時(shí)，（邊部）枝晶干為細(xì)長(zhǎng)狀，1/2處枝晶干變短，二次枝晶發(fā)達(dá)；當(dāng)冷卻速率較慢時(shí)，（心部）形成等軸樹枝晶。

2）在凝固過程中，Ni、Al、Ti的溶質(zhì)分配系數(shù)小于1，且隨著冷卻速率的降低，枝晶間偏析程度增大，金屬間化合物體積分?jǐn)?shù)增大。

3）大尺寸(CrCoNi)94Al3Ti3MEA的凝固路徑為L(zhǎng)→L+γ→L+γ+η→γ+η→γ+γ￠+η。

[1] YEH J W, CHEN S K, LIN S J, et al. Nanostructured High-Entropy Alloys with Multiple Principal Elements: Novel Alloy Design Concepts and Outcomes[J]. Advanced Engineering Materials, 2004, 6(5): 299-303.

[2] TANG Y, WANG R X, XIAO B, et al. A Review on the Dynamic-mechanical Behaviors of High-entropy Alloys[J]. Progress in Materials Science, 2023, 135: 101090.

[3] 劉亞玲, 楊佳惠, 武俊霞, 等. 難熔高熵合金的研究進(jìn)展[J]. 稀有金屬與硬質(zhì)合金, 2021, 49(5): 9-64. LIU Ya-ling, YANG Jia-hui, WU Jun-xia, et al. Research Progress of Refractory High-entropy Alloys[J]. Rare Metals and Cemented Carbides, 2021, 49(5): 9-64.

[4] TIAN Y S, ZHOU W Z, TAN Q B, et al. A Review of Refractory High-entropy Alloys[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2022, 32(11): 3487-3515.

[5] 李天昕, 王書道, 盧一平, 等. 高熵合金材料研究進(jìn)展與展望[J]. 中國(guó)工程科學(xué), 2023, 25(3): 170-181. LI Tian-xin, WANG Shu-dao, LU Yi-ping, et al. Research Progress and Prospect of High-Entropy Alloy Materials[J]. Chinese Journal of Cancer, 2023, 25(3): 170-181.

[6] GLUDOVATZ B, HOHENWARTER A, THURSTON K, et al. Exceptional Damage-tolerance of a Medium-entropy Alloy CrCoNi at Cryogenic Temperatures[J]. Nature Communications, 2016, 7: 10602.

[7] RACKWITZ J, YU Q, YANG Y, et al. Effects of Cryogenic Temperature and Grain Size on Fatigue-crack Propagation in the Medium-entropy CrCoNi Alloy[J]. Acta Materialia, 2020, 200: 351-365.

[8] 來至, 朱忠尹, 陳民, 等. 兩種不同加工狀態(tài)CrCoNi中熵合金的微觀組織和力學(xué)性能研究[J]. 熱加工工藝, 2023, 52: 1-6. LAI Zhi, ZHU Zhong-yin, CHEN Min, et al. Study on Microstructure and Mechanical Properties of CrCoNi Medium Entropy Alloy with Two Different Processing States[J]. Hot Working Technology, 2023, 52: 1-6.

[9] YEH J W, CHEN S K, CHEN Y L. Novel Alloy Concept, Challenges and Opportunities of High-entropy Alloys[J]. Frontiers in the Design of Materials, 2007, 1: 31-47.

[10] HE G A, HE C X, SHENG X F, et al. Deciphering the Effect of W and Mo Co-additions on Recrystallization Behavior and Strengthening Mechanism of CrCoNi Medium Entropy Alloy[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2022, 923: 166404.

[11] CHEN Y J, FANG Y, FU X Q, et al. Origin of Strong Solid Solution Strengthening in the CrCoNi-W Medium Entropy Alloy[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2021, 73: 101-107.

[12] WANG J Y, ZOU J P, YANG H L, et al. High Strength and Ductility of an Additively Manufactured CrCoNi Medium-entropy Alloy Achieved by Minor Mo Doping[J]. Materials Science and Engineering: A, 2022, 843: 143129.

[13] XUE P S, ZHU L D, XU P H, et al. Microstructure Evolution and Enhanced Mechanical Properties of Additively Manufactured CrCoNi Medium-entropy Alloy Composites[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2022, 928: 167169.

[14] SLONE C E, GEORGE E P, MILLS M J. Elevated Temperature Microstructure Evolution of a Medium- entropy CrCoNi Superalloy Containing Al,Ti[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2020, 817: 152777.

[15] MIAO J S, SLONE C, DASARI S, et al. Ordering Effects on Deformation Substructures and Strain Hardening Behavior of a CrCoNi Based Medium Entropy Alloy[J]. Acta Materialia, 2021, 210: 116829.

[16] LU W J, LUO X, HUANG B, et al. Excellent Thermal Stability and Their Origins in γ￠Precipitation-strength-ened Medium-entropy Alloys[J]. Scripta Materialia, 2022, 212: 114576.

[17] ZHAO Y L, YANG T, TONG Y, et al. Heterogeneous Precipitation Behavior and Stacking-fault-mediated Deformation in a CoCrNi-based Medium-entropy Alloy[J]. Acta Materialia, 2017, 138: 72-82.

[18] XIAO Y K, PENG X H, FU T. L21-strengthened Body-centered-cubic High-entropy Alloy with Excellent Mechanical Properties[J]. Intermetallics, 2022, 145: 107539.

[19] 高利, 李小聰, 趙延周, 等. AlCoCrFeNi2V高熵合金的組織及性能研究[J]. 特種鑄造及有色合金, 2023, 43(1): 83-87. GAO Li, LI Xiao-cong, ZHAO Yan-zhou, et al. Structures and Properties of AlCoCrFeNi2VHigh-entropy Alloys[J]. Special Casting & Nonferrous Alloys, 2023, 43(1): 83-87.

[20] 李昌偉, 張勇. 銅含量對(duì)CoCrFeNi高熵合金組織結(jié)構(gòu)和性能的影響[J]. 精密成形工程, 2022, 14(12): 1-9. LI Chang-wei, ZHANG Yong. Effects of Copper Addition on Microstructure and Properties of CoCrFeNi High Entropy Alloy[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2022, 14(12): 1-9.

[21] 鄭豎昆. 真空懸浮熔煉和選區(qū)激光熔化對(duì)Al0.3CoCrFeNi高熵合金組織及性能的影響[D]. 重慶: 重慶理工大學(xué), 2022: 45-50. ZHENG Shu-kun. Effect of Vacuum Levitation Melting and Selective Laser Melting on Microstructure and Properties of Al0.3CoCrFeNi High entropy Alloy[D]. Chongqing: Chongqing University of Technology, 2022: 45-50.

[22] TAMULY S, DIXIT S, KOMBAIAH B, et al. High Strain Rate Deformation Behavior of Al0.65CoCrFe2Ni Dual-phase High Entropy Alloy[J]. Intermetallics, 2023, 161: 107983.

[23] 陳今良, 金學(xué)元, 易健宏, 等. Ti含量對(duì)CrCoNiTi中熵合金組織與性能的影響[J]. 有色金屬工程, 2023, 13(1): 31-37. CHEN Jin-liang, JIN Xue-yuan, YI Jian-hong, et al. Effect of Ti Content on Microstructure and Properties of CrCoNiTiMedium Entropy Alloy[J]. Nonferrous Metals Engineering, 2023, 13(1): 31-37.

[24] SHUN T T, CHANG L Y, SHIU M H. Microstructures and Mechanical Properties of Multiprincipal Component CoCrFeNiTix Alloys[J]. Materials Science and Engineering: A, 2012, 556: 170-174.

[25] 暢海濤. 高性能CoCrNiAlTi多主元合金強(qiáng)韌化機(jī)理研究[D]. 沈陽(yáng): 沈陽(yáng)航空航天大學(xué), 2019: 45-51. CHANG Hai-tao. Study on Strengthening and Toughening Mechanism of High Performance CoCrNiAlTi Multi-principalalloy[D]. Shenyang: Shenyang Aerospace University, 2019: 45-51.

[26] 付華. 摻雜AlTi的CrCoNi基中熵合金制備及力學(xué)性能研究[D]. 成都: 成都大學(xué), 2023: 38-50. FU Hua. Preparation and Mechanical Properties of AlTi Doped CrCoNi Based Medium Entropy Alloy[D]. Chengdu: Chengdu University, 2023: 38-50.

Solidification Behavior of (CrCoNi)94Al3Ti3Medium Entropy Alloy with Large Size

LU Jie-bo,WU Bo,MA Teng-fei*,WANG Xiao-hong,LI Ao,DONG Duo, ZHU Dong-dong

(Key Laboratory of Air-driven Equipment Technology of Zhejiang Province, Quzhou University, Zhejiang Quzhou 324000, China)

The work aims to prepare large-sized (CrCoNi)94Al3Ti3medium entropy alloy (MEAs) and study its solidification behavior. Large-sized ingots were prepared by water-cooled copper crucible levitation melting. Solidification structure and segregation behavior of alloys at different radii were analyzed with an optical microscope (OM), a scanning electron microscopy (SEM) and an energy dispersive spectroscopy (EDS). The possible phase of alloy was predicted with Jmpro numerical simulation software to reveal the solidification characteristics of large-sized (CrCoNi)94Al3Ti3MEA. The solidification structure of the large-sized (CrCoNi)94Al3Ti3MEA was typical columnar dendritic structure. The morphology and size of columnar crystals changed significantly with cooling rate. During the solidification, Ni, Al, and Ti elements exhibited interdendritic segregation, and the degree of segregation gradually increased with the decrease of cooling rate. The (CrCoNi)94Al3Ti3MEA matrix was a face centered cubic structure (FCC). There were a small number of blocky η phase intermetallic compounds (Ni,Co)3(Al,Ti) in the dendrites (ID). Moreover, a large number of L12nano-phases was observed in the ID area. The solidification path of (CrCoNi)94Al3Ti3MEA was L→L+γ→L+γ+η→γ+η→γ+γ￠+η according to phase diagram calculation and microstructure evolution. The large-sized (CrCoNi)94Al3Ti3MEA prepared with the water-cooled copper crucible suspension melting technology has no macroscopic segregation, which could be used for engineering application.

medium entropy alloy; levitation melting; solidification behavior; microstructure evolution

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.10.007

TF771.1

A

1674-6457(2023)10-0060-07

2023-08-17

2023-08-17

國(guó)家自然科學(xué)基金（52001262，52071188，52171120）

The National Natural Science Foundation of China(52001262, 52071188, 52171120)

陸杰波, 吳博, 馬騰飛, 等. 大尺寸(CrCoNi)94Al3Ti3中熵合金凝固行為[J]. 精密成形工程, 2023, 15(10): 60-66.

LU Jie-bo, WU Bo, MA Teng-fei, et al. Solidification Behavior of (CrCoNi)94Al3Ti3Medium Entropy Alloy with Large Size[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(10): 60-66.

責(zé)任編輯：蔣紅晨