Si 添加對 Al-Hf-Nb-Ta-Ti-Zr 耐火高熵合金性質之影響

Study on the effects of Si addition on the properties of Al-Hf-Nb-Ta-Ti-Zr refractory high-entropy alloys

洪奕平(I-Ping Hung)

指導教授 ： 葉均蔚

國立清華大學/工學院/材料科學工程學系/碩士(2014年)

摘要

以五元主要元素以上設計的新合金-高熵合金，已漸受國內外矚目。基此理念，美國空軍實驗室在2010年開發以耐火金屬元素所組成之耐火高熵合金，並證實耐火高熵合金WNbMoTa及WNbVMoTa於高溫下之強度優於鎳基超合金，至1600ºC仍有400 MPa的強度，但兩合金在室溫下為脆性斷裂。接著，他們以較輕的Ti、Zr替換W、Mo，製備出HfNbTaTiZr合金，此合金在室溫下壓縮延性大於50%以上，但其高溫軟化較快。
雖然HfNbTaTiZr密度較輕且具極佳的室溫延性，但卻有耐火元素先天抗氧化性不佳的缺點，而限制其高溫的應用性。先前實驗室研究在耐火高熵合金中添加鋁來增加抗氧化能力，在AlxHfNbTaTiZr耐火高熵合金系統中，Al0.5HfNbTaTiZr不論在機械性質或抗氧化性質都有不錯的表現。因此本研究以此合金為基礎，設計不同耐火高熵合金系統以及添加變量的Si作為實驗合金，探討Si的添加對此耐火高熵合金微結構、機械性質及抗氧化性之影響。
研究結果發現不同耐火高熵合金系統以及不同Si添加量的合金其晶體結構皆為簡單 BCC固溶相，而隨著Si含量的增加，矽化物的峰值開始出現。微結構為典型的樹枝狀結構，但隨著Si的添加樹枝間相有更多的共晶矽化物形成。合金經過1400ºC均質化12小時後，未添加Si的合金可以完全消除偏析的樹枝狀結構，但添加Si的合金均質化無法消除共晶矽化物，整體來說均質化後合金由於部分強鍵結元素固溶回基地相而使硬度有所提升。在高溫抗氧化方面，在1100ºC以及1300ºC氧化試驗結果都顯示隨著Si含量的增加，抗氧化能力有明顯的提升，但1300ºC高溫下無法形成較緻密氧化層，氧化速率甚快。均質化處理對合金抗氧化能力並沒有明顯提升作用，其氧化機制與鑄造態相似。在壓縮試驗方面，隨著Si的添加合金在室溫下的強度有所提升，但延性相對減少。而700~1100ºC整體強度亦有所提升，且抗軟化能力增加。整體而言，添加適量的Si進入合金中在密度、室溫及高溫強度、延性及抗高溫氧化的能力有最佳的綜合表現。

關鍵字

合金設計 ； 高熵合金 ； 耐火合金 ； 機械性質 ； 抗氧化性 ； 均質化

參考文獻

[1] 張嘉修, 耐火高熵合金AlxHfNbTaTiZr(x=0, 0.3, 0.5, 0.75, 1.0)之研究, 碩士論文, 國立清華大學材料科學工程研究所, 2012.

[6] A. Peker, W.L. Johnson, Applied Physics Letters 63 (1993) 2342-2344.

[9] A. Inoue, N. Nishiyama, T. Matsuda, Materials Transactions Jim 37 (1996) 181-184.

[18] A. Inoue, Bulk Amorphous Alloys, Trans. Tech. Publications, Zurich, 1999.

[20] D.V. Louzguine, A. Inoue, Materials Letters 39 (1999) 211-214.