[發明專利]一種利用熱分析測定的熔化溫度檢測高熵合金偏析的方法

在審

• 申請號: 201710518998.8
• 申請日: 2017-06-30
• 公開（公告）號: CN107515233A
• 公開（公告）日: 2017-12-26
• 發明（設計）人: 王宇棟;楊斌;馬文會;戴永年
• 申請（專利權）人: 昆明理工大學
• 主分類號: G01N25/04
• 分類號: G01N25/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種利用熱分析測定的熔化溫度檢測高熵合金偏析的方法，屬于材料和冶金工程技術領域。

背景技術

傳統合金是一種或兩種金屬作為基體金屬，少量添加其他元素（添加量通常在5at%以下）。高熵合金是四種以上金屬元素等摩爾混合，形成只有一個相或兩個相的穩定固溶體，因為多種元素等摩爾混合后，整個合金體系的混合熵很大，體系混亂度很高，因此穩定性極高，故此得名“高熵合金”。其中最具有代表性的是：Cr₂₀Mn₂₀Fe₂₀Co₂₀Ni₂₀ (at%)FCC面心立方單項合金。隨后科學家們在單相高熵合金的基礎上開發了雙相的高熵合金，例如Fe_80-xMn_xCo₁₀Cr₁₀ (at%)在FCC基體上均勻析出部分HCP馬氏體相。

高熵合金的最大優點就是在高溫和低溫環境中能夠保持結構穩定，從而保持性能穩定，是制備極限環境中的優選材料，例如制造航空/航天噴氣發動機渦輪葉片，因此對合金均勻性要求極高，不能有微小的偏析。但是F.Otto等人^[1]對CrMnFeCoNi,完成了500天900 ℃的高溫測試后指出，此類高熵在極端工作環境中也容易發生偏析，因此還需對高熵合金進一步考察。因此，尋找能夠檢測高熵合金微小偏析的技術顯得十分重要。

按照化學成分的分布情況，偏析可以分為兩種:第一種是宏觀化學偏析，可以通過取樣化學分析，而且很容易利用掃描電鏡SEM觀察，便于使用EDX能譜儀和原子探針EPMA的面掃描/線掃描測量偏析帶寬度。第二種偏析是微觀的微弱偏析，無法通過取樣化學分析。而且微小偏析帶的金相襯度很微弱，很難通過掃描電鏡SEM觀察，也增加了EDX和EPMA的面掃描/線掃描分析測量的難度。局部偏析是常見的微觀偏析，可以用SEM觀察到。

對于微觀偏析，EDX和EPMA顯微分析必須通過掃描電鏡（SEM）找到偏析的圖像，對于高熵合金，很多鑄態組織的微小偏析只會在很小的范圍內發生，如果金相制樣沒有選擇到偏析的橫截面，就不可能觀察到偏析現象，原因有二：偏析的化學元素濃度差別很小，分辨能力差的EDX設備區分不出元素分布差異，面掃面和線掃描無法測量到濃度差別；或者偏析部分沒有明顯的顯微襯度差別，造成顯微成像困難，找不到偏析的顯微圖像也就無法完成EPMA分析，因此用微觀顯微分析得到的高熵合金成分均勻的結論可能并不準確。

金屬的熱導性很好，采用熱分析測量合金樣品的熔化溫度時，樣品質量和吹掃氣流量都不會明顯影響熔化峰的峰值溫度、熔化起始溫度（固相溫度）和終止溫度（液相溫度），但是熱分析測量過程是在動態狀態下測量樣品的熱力學參數，大部分晶體的熔化峰值、液相溫度和固相溫度受到升溫速率的顯著影響，越慢的升溫速率越接近平衡狀態，測量值越準確。普通合金和晶體物質的熔化激活能較高，熔化溫度大多受升溫速率的影響，因此要想測定熔化峰溫度需要很慢的升溫速率力求接近平衡狀態，但是升溫速率太慢會造成偏析的熱效應不明顯，因此不能采用測定合金的熔化峰溫度、液相溫度和固相溫度的辦法分析偏析，以前也沒有文獻和技術通過測定合金熔化溫度檢測偏析。

但是高熵合金的熔化峰溫度液相溫度和固相溫度的熱行為和普通合金并不一樣，由于高熵合金的混合熵比傳統合金的大，表現出一些特殊的動力學特征，例如高熵合金的熔化激活能很小，在2～100℃/min的升溫速率范圍內，升溫速率對熔化峰值和液相溫度的影響小于5℃，而偏析造成的影響超過70℃，可以認為此時高熵合金的熔化峰值和液相溫度只受偏析影響而不受升溫速率的影響，因此可以對比樣品和均勻的標準樣品的熔化峰值或液相溫度，簡單清晰地檢測出偏析缺陷，DSC曲線是一種簡單、準確和便宜分析方法，可以準確測定樣品的熔化峰值、液相溫度和固相溫度。

[1]F Otto, A Dlouhy, KG Pradeep, Decomposition of the single-phase high-entropy alloy CrMnFeCoNi after prolonged anneals at intermediate temperatures, Volume 112, 15 June 2016, P40–52.