"FeCoNiCrMnx (x=1,0.3) 高熵合金之1050 ℃氧化行為 "

Abstract

"高熵合金起初被設計為含有等莫耳或接近等莫耳比例的多主要成分合金，其擁有高混合熵可提供穩定性以形成大量無序的固溶狀態。作為設計新穎的合金，有寬廣的成分範圍與多元素可潛在符合應用需求，在高溫下仍有足夠的機械強度、韌性與熱穩定性。自2004年Cantor et al.與Yeh et al.發表相關研究，使高熵合金的研究成指數性增長，成為現今熱門研究的主題。若此材料應用於高溫，無可避免地會經歷高溫氧化，表面氧化使得底材損失，降低底材的使用效率和壽命，並增加後續去除氧化層的製程成本，大幅限制其在高溫氧化之應用。 本研究使用真空感應熔煉50 公斤級的大型鑄材，熱軋至原厚的20%，接著進行均質化處理後得到成分分佈均勻的FeCoNiCrMnx(x=1,0.3)高熵合金。探討兩種合金於1050 ℃持溫25分鐘到24小時的短期至長期高溫氧化，且用示差熱掃描儀估算合金熔點與硬度試驗得知氧化層與基材的硬度以搭配解釋氧化特性，由刮痕試驗可知氧化數小時的氧化層有較佳附著性。在兩合金的短期氧化動力學皆為線性；長期氧化皆遵循拋物線性，FeCoNiCrMn0.3有較低的氧化速率常數，表示氧化相對較慢，其可有效減緩氧化速率因素可能為降低錳元素含量(7 at%)、保有鉻含量(23 at%)，仍可維持緩慢擴散與晶格扭曲效應及在氧化層內層形成薄且連續緻密的Cr2O3保護層。經由OM、SEM、EPMA、XRD、EBSD和TEM分析氧化層表面與橫截面形貌、氧化相與成元素分佈結果，可知氧化層外層為富錳的Mn3O4；氧化層內層為富鉻的Cr2O3；Cr2O3兩側為含有一些錳與鉻的MnCr2O4; MnCr2O4來自Mn3O4與Cr2O3形成擴散偶與Cr2O3做為元素擴散阻礙層。底材靠近界面形成錳與鉻的匱乏，使剩餘元素填補，且隨氧化時間增加，氧化層受熱應力與成長應力導致剝落與再氧化。故Mn及Cr的氧化物是決定氧化行為的主導因素。 "