類似于傳統(tǒng)的金屬材料，高熵合金(High entropyalloy, HEA)通常也表現(xiàn)出一種強(qiáng)度-延性的倒置現(xiàn)象，其強(qiáng)度的增加往往伴隨著塑性的降低，反之亦然，這嚴(yán)重限制了它們作為結(jié)構(gòu)材料的工程化應(yīng)用。開發(fā)出具有可調(diào)節(jié)的微觀結(jié)構(gòu)的梯度合金能有效克服上述問題。目前，諸多表面處理技術(shù)可獲得梯度結(jié)構(gòu)，譬如：表面機(jī)械磨損處理、高能噴丸強(qiáng)化、表面機(jī)械磨削處理、水空化噴丸強(qiáng)化和表面機(jī)械軋制處理等。其中，激光噴丸(Lasershock peening, LSP)作為一種通用的、對(duì)加工產(chǎn)品形狀無損的方法，因其簡(jiǎn)單而有效的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)得到了廣泛研究。現(xiàn)有研究表明，可以在傳統(tǒng)合金中產(chǎn)生高振幅和數(shù)毫米深度的壓應(yīng)力，從而極大地提高疲勞耐久性、耐磨性和耐腐蝕性。目前有關(guān)于LSP的研究主要集中于傳統(tǒng)合金的表面硬化等以達(dá)到改善其疲勞壽命的目的。而對(duì)于許多金屬材料而言，其宏觀拉伸力學(xué)行為則一定程度上會(huì)影響其工程化應(yīng)用。

目前，許多單相面心立方結(jié)構(gòu)(FCC)的HEAs因其具有較低的堆垛層錯(cuò)能(SFE)，較易產(chǎn)生變形納米孿晶。因此，采用LSP處理該類高熵合金可以誘導(dǎo)產(chǎn)生包括晶粒尺寸和孿晶密度在內(nèi)的梯度結(jié)構(gòu)。該類梯度材料體現(xiàn)何種力學(xué)變形特征？其變形機(jī)制如何？理清上述問題，將會(huì)對(duì)于高熵合金的微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控及其變形機(jī)理的認(rèn)識(shí)具有重要的科學(xué)意義。

基于此，哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的黃永江團(tuán)隊(duì)與英國皇家工程院院士、香港大學(xué)顏慶云教授(A.H.W. Ngan)合作，將LSP應(yīng)用于一種新型的低層錯(cuò)能的高熵合金(CrFeCoNiMn0.75Cu0.25HEA)，并詳細(xì)探究了LSP對(duì)于該合金微觀組織結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制，尤其是其納米/微米尺度上的結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，并探明LSP對(duì)于這種新型合金材料的宏觀拉伸性能的影響機(jī)制。相關(guān)研究成果以題“Strengthening CrFeCoNiMn0.75Cu0.25 high entropy alloy via laser shock peening”發(fā)表于材料力學(xué)頂級(jí)期刊International Journal of Plasticity。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2022.103296

本文依據(jù)高熵合金成分設(shè)計(jì)準(zhǔn)則制備了具有低層錯(cuò)能(~18 mJ/m2)的單相FCC結(jié)構(gòu)的六元CrFeCoNiMn0.75Cu0.25HEA。電弧熔煉得到了相應(yīng)的合金板材，并分別對(duì)其表面分別進(jìn)行1次及4次激光沖擊強(qiáng)化處理，隨后深入研究其拉伸變形行為及微觀組織演化。

研究結(jié)果表明，經(jīng)過LSP處理后，CrFeCoNiMn0.75Cu0.25HEA樣品的強(qiáng)度及塑性顯著提升。特別地，經(jīng)過四次LSP的HEA試樣的屈服強(qiáng)度達(dá)到了鑄態(tài)合金的2倍以上，歸因于其表面形成的由亞晶粒、致密位錯(cuò)和納米孿晶組成的梯度結(jié)構(gòu)。LSP處理后的樣品中致密的位錯(cuò)以及變形孿晶顯著提升了其應(yīng)變硬化能力，使得合金在拉伸變形過程中具有優(yōu)異的塑性。此外，本文揭示了LSP誘導(dǎo)的晶粒細(xì)化機(jī)制。文中不同拉伸應(yīng)變下LSP處理后的合金微觀組織以及局部應(yīng)變的結(jié)果則表明，LSP處理后的合金的塑性變形主要由不受LSP影響的中心區(qū)域的位錯(cuò)調(diào)節(jié)，而受LSP影響的表層已經(jīng)充分硬化，其塑性有限。本文的研究結(jié)果表明，利用激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)可以開發(fā)出具有優(yōu)異力學(xué)性能的梯度結(jié)構(gòu)材料。

圖1. (a) 鑄態(tài)HEA的EBSD圖譜以及(b)晶粒尺寸分布；鑄態(tài)、冷軋后再結(jié)晶退火(RA)和LSP處理后HEA的(c)工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線及(d)應(yīng)變硬化速率曲線。

圖2.LSP處理前后的合金試樣在不同深度下的(a) 顯微硬度值及 (b) 壓痕形貌

圖3.(a, c, e)一次以及(b, d, f)四次LSP處理后的CrFeCoNiMn0.75Cu0.25HEA截面的EBSD圖譜：(a)、(b)晶粒形貌，(c)、(d)晶粒尺寸統(tǒng)計(jì)和(e)、(f)取向差角；圖3a和3b分別所示為I區(qū)(深度為~80 mm時(shí))和II區(qū)對(duì)應(yīng)于試樣中不同深度的區(qū)域。

圖4.四次LSP處理后的HEA合金樣品在不同深度方向上的微觀組織結(jié)構(gòu)的TEM明場(chǎng)像：(a)50 mm深度處的雙向NTs；(b) 150 mm深度的單向NTs；(c)300mm深度的位錯(cuò)線。

圖5.四次LSP處理后HEA合金在不同拉伸應(yīng)變(e)后樣品表層的TEM：(a)e=5%，(b)e=16%

圖6.四次LSP處理后CrFeCoNiMn0.75Cu0.25HEA的結(jié)構(gòu)特征： (a)孿晶及亞晶界明場(chǎng)圖像，(b)在LSP過程中亞晶界形成的示意圖

圖7.(a) 鑄態(tài)、一次LSP和四次LSP處理后的HEAs強(qiáng)化機(jī)制示意圖；(b)屈服強(qiáng)度與晶粒尺寸和位錯(cuò)密度的曲線圖；(c)LSP處理前后CrFeCoNiMn0.75Cu0.25HEA試樣的屈服強(qiáng)度增量柱狀圖

圖8.(a) 四次LSP處理后的梯度結(jié)構(gòu)HEA的塑性變形行為的有限元模型示意圖；不同拉伸應(yīng)變下的局部應(yīng)變分布： (b) 1.6%，(c)5%，(d)16%

總的來說，本文詳細(xì)探究了LSP處理后的CrFeCoNiMn0.75Cu0.25HEA的微觀組織演化及其變形行為。結(jié)果表明：1次沖擊和4次沖擊后，合金的表面顯微硬度分別提高了20%和33%。此外，在所研究的HEA樣品中，多次LSP處理后，合金表面出現(xiàn)了~80 mm厚的細(xì)化晶粒層。表層晶粒細(xì)化是由于變形孿晶的形成對(duì)其內(nèi)部的粗晶進(jìn)行分割，繼而導(dǎo)致了小取向差角的亞晶界產(chǎn)生。此外，拉伸結(jié)果表明，具有良好的梯度結(jié)構(gòu)的四次LSP 處理后的HEA的力學(xué)性能顯著提升。TEM觀察以及有限元模擬的結(jié)果表明，對(duì)于多次LSP處理后的HEA試樣而言，其優(yōu)異的塑性主要由未受LSP影響的核心區(qū)域的位錯(cuò)進(jìn)行調(diào)節(jié)。與結(jié)構(gòu)均勻的合金樣品相比，LSP處理后的HEA具有更優(yōu)異的塑性，這是因?yàn)槠浔砻娴挠不瘜哟龠M(jìn)了穩(wěn)定的塑性流變，從而延遲了局部破壞。