Mo和W微合金化对Co-Cr-Fe-Ni系中_高熵合金氢脆抗性的影响.pdfVIP

摘要

氢能是极具发展潜力的新能源，但金属材料在氢环境中会遭遇塑性和韧性

下降等氢脆问题，限制了氢能的发展与应用。中熵合金（MEAs）与高熵合金

（HEAs）由于其卓越的机械性能、耐腐蚀性能以及热稳定性而备受关注，然而，

目前关于中/高熵合金的氢脆敏感性研究十分有限。本研究探讨了CoCrNi中熵

合金和FeCoCrNi高熵合金的抗氢脆性能及钼（Mo）和钨（W）微合金化对其

氢脆性能的影响。本课题采用真空熔炼炉熔炼的方法制备目标合金，通过高压

恒温预充氢方法引入氢原子，综合利用慢应力应变测试、热脱附法测试、扫描

电镜、透射电镜等设备探索中/高熵合金的氢脆机理及大原子合金化对其抗氢脆

性能的影响。

在CoCrNi的合金化研究中，掺杂3at.%的Mo和3at.%W元素能够显著提

升合金的氢脆抗性，实验显示合金化后CoCrNi的氢致塑性损失从70.4%大幅减

少至31.6%。此外，微合金元素的引入还有效降低了材料氢诱导开裂的倾向，并

改变了其断裂机制：由原先的沿晶脆性断裂模式变为韧性的穿晶断裂与解理断

裂的混合模式。进一步的微观组织分析发现，Mo和W的添加并未改变CoCrNi

中熵合金的面心立方结构。然而，Mo和W元素的过饱和固溶以及它们与基体

元素之间较大的原子错配度和正的混合焓，促进了退火过程中Cr元素的晶界偏

析现象，这种偏析作用不仅稳定了晶界，而且有效地细化了晶粒尺寸，并抑制

了氢在晶界处引起的脆性断裂。晶界处的偏析现象增强了晶界的内聚力，提高

了合金在氢环境下的断裂阈值，有效防止了氢诱发的晶界开裂，从而增强了合

金的整体氢脆抗性。

在FeCoCrNi的合金化研究中，(CoCrFeNi)MoW与(CoCrFeNi)Mo两

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种合金的屈服强度分别提升了141.60MPa和167.49MPa，抗拉强度分别提升了

192.85MPa和253.47MPa，充氢后的两种合金化的高熵合金的延伸率几乎保持

不变，(CoCrFeNi)92Mo8高熵合金的氢致塑性损失率仅为0.77%，

(CoCrFeNi)MoW的断后延伸率还提升了1.19%。掺杂了Mo和W元素之后，

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(CoCrFeNi)MoW与(CoCrFeNi)Mo高熵合金的平均晶粒尺寸从230μm降

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到80~100μm左右，减小约60.84%，更多的晶界有助于阻碍位错运动和限制裂

纹扩展，从而提高合金力学性能。微观表征显示在合金化后的高熵合金的晶界

附近存在Cr元素和Mo、W元素偏析行为，晶界偏析导致了晶粒的细化与晶界

结合强度的提高，使合金的屈服强度与抗拉强度有所提高。

关键词：CoCrNi中熵合金；CoCrFeNi高熵合金；氢脆；微合金化

Abstract

Hydrogenenergyisanewenergywithgreatdevelopmentpotential,butmetal

materialswillencounterhydrogenembrittlementproblemssuchasplasticityand

toughnessdeclineinhydrogenenvironment,whichlimitsthedevelopmentand

applicationofhydrogenenergy.Mediumentropyalloys(MEAs)andhighentropy

alloys(HEAs)haveattractedmuchattentionduetotheirexcellentmechanical

properties,corrosionresistancea