導(dǎo)讀：中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院設(shè)計(jì)并研究了一種具有高電阻率、寬溫度范圍內(nèi)的低電阻率溫度系數(shù) ( TCR )、高強(qiáng)度和中等變形性的鐵素體多元合金，旨在克服限制開(kāi)發(fā)高性?xún)r(jià)比高質(zhì)量電阻器發(fā)展的瓶頸。所開(kāi)發(fā)的標(biāo)稱(chēng)成分Fe55Cr28Al12Ti3Si2(at. %) 的塊狀合金在鑄態(tài)條件下顯示出嵌入有序共格多組分納米沉淀物的體心立方 (BCC) 基體相，這使其具有183 μΩ cm的高電阻率，低TCR-35 ppm/K（從 298 K 到 673 K），1055 MPa 的高屈服強(qiáng)度，1980 MPa 的高極限抗壓強(qiáng)度和 33% 的中等均勻壓縮應(yīng)變（在 673 K）。根據(jù)對(duì)有和沒(méi)有納米沉淀物的合金變體的比較研究，BCC-α 基體中完全共格有序的多組分的L21增納米沉淀物強(qiáng)了位錯(cuò)傳播所需的應(yīng)力，從而提高了強(qiáng)度和加工硬化能力。此外，多組分L21納米沉淀物能夠有效調(diào)節(jié)類(lèi)近藤散射并有助于降低材料的TCR。因此，這項(xiàng)工作展示了一種低成本精密電阻合金的設(shè)計(jì)策略，通過(guò)在多組分合金系統(tǒng)中引入經(jīng)過(guò)良好調(diào)整的有序共格多組分析出物，在寬溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高且穩(wěn)定的電阻率，并結(jié)合高強(qiáng)度和適度的壓縮變形能力。

具有高電阻率 (100 μΩ cm) 和低電阻率溫度系數(shù) ( TCR ) 值 (< 100 ppm/K)的電阻材料在高精度電子測(cè)量系統(tǒng)如全球定位系統(tǒng) (GPS)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)解決方案、熱電設(shè)備，以及汽車(chē)應(yīng)用的溫度和流量控制傳感器等關(guān)鍵領(lǐng)域必不可少。鐵鉻鋁 (FeCrAl) 鐵素體合金因其高電阻率、優(yōu)異的高溫抗氧化性和成本效益而被廣泛用作電阻材料。例如，標(biāo)稱(chēng)成分 Fe 74.5 Cr 20 Al 5.5 (at. %) 的商用 FeCrAl 合金表現(xiàn)出優(yōu)異的電阻加熱性能。Fe 50 Cr 30 Al 20 (at. %)合金的室溫電阻率( ρRT)高達(dá)186 μΩ cm，在室溫至773℃的溫度范圍內(nèi)TCR約為-90 ppm/K 。

盡管在一些已建立的 FeCrAl 鐵素體合金中實(shí)現(xiàn)了高電阻率和低TCR的出色組合，但過(guò)飽和 BCC 晶格中有限的位錯(cuò)遷移率導(dǎo)致了固有的脆性。然而，發(fā)展中的行業(yè)需要具有低TCR的堅(jiān)固且可變形的高電阻率合金，以提高機(jī)械加工性和靈敏度，例如，用于小型化電子設(shè)備。在這方面，有一些方面限制了具有成本效益的 FeCrAl 合金作為電阻材料的進(jìn)一步發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用。首先，提高 Fe-Cr-Al 合金強(qiáng)度和電阻率的常用方法是增加 Cr 和 Al 含量，但高 Cr 和 Al 含量通常會(huì)促進(jìn)材料的脆性，導(dǎo)致變形性較差。其次，雖然可以通過(guò)調(diào)整 Fe、Cr 和 Al 的比例來(lái)調(diào)整TCR值，但同時(shí)獲得相當(dāng)高的電阻率和低TCR 仍然具有挑戰(zhàn)性。第三，傳統(tǒng) FeCrAl 合金有限的成分范圍限制了調(diào)整包括電阻率在內(nèi)的多種性能的空間，TCR，強(qiáng)度和可變形性。第四，雖然可以預(yù)期 FeCrAl 合金的電氣和力學(xué)性能與其微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，但很少有研究致力于通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)控制來(lái)改善電氣和力學(xué)性能的結(jié)合。

近年來(lái)，多組分高熵合金 (HEAs)、復(fù)雜濃縮合金 (CCA) 或多主元素合金 (MPEA)的概念顯著拓展了成分探索的空間。具有優(yōu)異的力學(xué)和功能性能的合金，例如，通過(guò)引入共格有序的 FeCoNiTaAl HEA，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械和軟磁性能的完美結(jié)合。納米沉淀進(jìn)入面心立方 (FCC) 矩陣。HEA 也是實(shí)現(xiàn)高電阻率的有希望的候選材料，因?yàn)槎喾N主要元素可能會(huì)引起顯著的晶格畸變，從而促進(jìn)傳導(dǎo)電子的散射。例如，具有有序偽二元 B2-BCC 結(jié)構(gòu)的 Al 2.08 CoCrFeNi HEA 在4.2 K 和300 K 時(shí)的電阻率分別為 117.24 μΩ cm 和 119.90 μΩcm。最近，已證明高度分散的析出物對(duì)Al x CoCrFeNi (1.0 ≤ x ≤ 3.0) HEA 的TCR值有很大影響。然而，迄今為止報(bào)道的多組分 HEA 的電阻率值仍然不是很高（通常低于 120 μΩ cm），并且TCR值主要在較窄的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，例如從 4.2 K 到 300 K。在這方面，仍需要大量的研究工作來(lái)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)具有改進(jìn)性能的多組分電阻合金。

人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，晶格缺陷（如溶質(zhì)原子、晶界和相界面）對(duì)傳導(dǎo)電子的散射可以大大提高電阻率。例如，由于原子尺寸差異引起的晶格畸變，α-Fe 基體中的 Ti、Si 和 Mo 等溶質(zhì)元素已被證明可以有效地增加電阻率。也有報(bào)道稱(chēng)，Ti、Si、Mo 和 Nb 可以通過(guò)固溶強(qiáng)化和/或沉淀硬化提高鐵素體 FeCrAl 合金的屈服強(qiáng)度。因此，通過(guò)將微量元素引入 FeCrAl 合金基體的進(jìn)一步合金開(kāi)發(fā)有望實(shí)現(xiàn)機(jī)械和電阻率性能的改進(jìn)組合。

基于此，在這項(xiàng)工作中，中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院李志明團(tuán)隊(duì)通過(guò)引入有序的相干多組分，開(kāi)發(fā)了一種很有前景的鐵素體多組分電阻合金，將納米沉淀進(jìn)入合金基體。相關(guān)研究成果以題“A strong ferritic high-resistivity multicomponent alloy with tunable ordered coherent multicomponent nanoprecipitates”發(fā)表在增材制造頂刊Acta Materialia上。

圖 1。(a) 鑄態(tài)和均質(zhì)化樣品的 XRD 圖譜。(b, f) 鑄態(tài) (b, c) 和均質(zhì)化 (f, g) 樣品的 EBSD 相圖覆蓋晶界和 (c, g) 反極圖 (IPF) 圖。(d, e) 放大的 EBSD 相圖，顯示鑄態(tài)樣品中 GB 區(qū)域的 HCP Laves 相。“Homo”、“GS”和“GBs”分別是指“均質(zhì)狀態(tài)”、“晶粒尺寸”和“晶界”。

圖 2。(a-c) 鑄態(tài)和 (d-f) 均質(zhì)合金樣品的 BSE 圖像。(g) (e) 中樣品區(qū)域的 SEM-EDS 圖。沿晶界分布的 Laves 相用黃色箭頭標(biāo)記。“PFZ”是指“無(wú)沉淀區(qū)”。

圖 3。(a) 鑄態(tài)合金樣品的高角環(huán)形暗場(chǎng) (HAADF) 掃描 TEM (STEM) 圖像。(b) 選區(qū)電子衍射 (SAED) 圖案。(cd) 分散的納米沉淀物的明場(chǎng) (BF) TEM 圖像和相應(yīng)的暗場(chǎng) (DF) TEM 圖像。(ef) 高分辨率 TEM (HRTEM) 圖像顯示納米沉淀物和基質(zhì)之間的相界面。從 BCC-α 矩陣和 L2 1納米沉淀物獲得的快速傅里葉變換 (FFT) 模式。

圖 4。(a) 鑄態(tài)樣品中典型晶粒內(nèi)部區(qū)域的 HAADF-STEM 圖像。(b-f) 元素（即 Fe、Cr、Al、Ti 和 Si）的相應(yīng) STEM-EDS 圖。

圖 5。(a) 三維 (3D) 重建圖突出顯示BCC-α 基質(zhì)中的納米沉淀。(b) 1D 組成剖面，顯示選定區(qū)域的組成變化沿（a）中的黃色箭頭沉淀。(c) 以 6 at.% Ti 等成分表面突出顯示的納米沉淀的一維近似圖。b 和 c 中的陰影區(qū)域是指數(shù)據(jù)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差。

圖 6。(a) 鑄態(tài)樣品中沿晶界分布的 Laves 相析出物的 TEM-BF 圖像。(b) HRTEM 圖像和 (c) 核殼界面區(qū)域的相應(yīng) FFT 圖案。（d，e）分別對(duì)應(yīng)于殼和核心區(qū)域的 FFT 模式。(f) HRTEM 圖像和 (g) Laves 相（核心區(qū)域）的相應(yīng) FFT 模式。(h) 含有 Laves 相析出物的典型晶界區(qū)域中合金元素（即 Fe、Cr、Al、Ti 和 Si）的 STEM-BF 圖像和相應(yīng)的 STEM-EDS 圖。“s”和“L”分別指“殼”和“Laves相”。

圖 7。(a) 合金樣品在不同條件下的典型壓縮工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，即在室溫下測(cè)試的鑄態(tài) (As-cast, RT) 和均質(zhì)化 (Homo, RT) 樣品，以及在 673 K 下測(cè)試的鑄態(tài)樣品（鑄態(tài)，673 K）。(bg) 不同樣品的斷裂形態(tài)：(b, c) 鑄態(tài)，RT；(d, e) 人，RT；(f, g) 鑄態(tài)，673 K。“Homo”是指“均質(zhì)化條件”。

圖 8。(a) 鑄態(tài)和均質(zhì)合金樣品在納米壓痕下的典型載荷-位移 (Ph) 曲線(xiàn)，最大載荷為 5 mN，標(biāo)稱(chēng)應(yīng)變率為 0.01 / s。(b) (a) 中綠色方塊突出顯示的區(qū)域的放大視圖，以顯示鑄態(tài)和均質(zhì)合金樣品的彈出事件。(c, d) 鑄態(tài)和均質(zhì)合金樣品的典型探測(cè)納米壓痕的 ECC 圖像。

圖 9。(a)在 4 K/min 的加熱速率下，鑄態(tài)和均質(zhì)合金樣品的電阻率 ( ρ ) 與溫度 ( T ) 的關(guān)系。(b)各種塊狀合金的TCR與室溫電阻率 ( ρ RT )：鑄態(tài)和均質(zhì)化 FeCrAlTiSi 合金，本工作中的參考鑄態(tài) Fe 55 Cr 28 Al 17合金，參考 Ni 80 Cr 20 Ti 67 Al 33, Fe 50 Cr 30 Al 20 , Fe 83.2 Al 15.8 Mn 1.0、Fe 77.6 Cr 5.5 Al 15.9 Mn 1.0、Fe 79.3 Cr 5.4 Al 13.6 Mn 1.7、Al 0.74 CoCrFeNi和 AlCoCrFeNiCu合金。這些合金的 TCR 測(cè)量范圍為 300 K 至 673 K。此外，參考商用 Fe 73.2 Cr 21 Al 5.8合金（ TCR測(cè)量范圍為 300 K 至 873 K）和 Al還介紹了2.08 CoCrFeNi HEA（TCR測(cè)量范圍為 4.2 K - 360 K）。

圖 10。加熱至 (ad) 673 K、(eh) 973 K 和 (il) 1273 K 后水淬后鑄態(tài)樣品中顯微組織的 BSE 圖像和 EBSD 相圖。

圖 11。加熱至 1273 K 后水淬后的鑄態(tài)合金樣品的 TEM 分析。(a) 放大率相對(duì)較低的 STEM-BF 圖像。(b) 包含 Laves 相沉淀的典型區(qū)域的放大圖。（c，d）分別來(lái)自基質(zhì)-殼區(qū)域（由 b 中的紅色圓圈突出顯示）和核 - 殼區(qū)域（由 b 中的金絲雀圓圈突出顯示）的 SAED 圖案。(e) 基體與殼之間界面的 HRTEM 圖像。(f) 核殼界面的 HRTEM 圖像。(g) 含有 Laves 相析出物的典型區(qū)域的 STEM-BF 圖像和合金元素（即 Fe、Cr、Al、Ti 和 Si）的相應(yīng) STEM-EDS 圖。

圖 12。(a) 尺寸分布和 (b) 相干多組分的間距特征鑄態(tài)合金樣品中的納米沉淀物。(c) 樣品在各種條件下的室溫電阻率，即鑄態(tài)和加熱到 673 K (673 K-WQ)、973 K (973 K-WQ) 和 1273 K (1273 K-WQ) 之后通過(guò)水淬（WQ）。(d) 面積分?jǐn)?shù)和 Laves 相沉淀。

圖 13。(a) 鑄態(tài)合金樣品的 STEM-BF 圖像，以及加熱到 (b) 673 K、(c) 973 K 和 (d) 1273 K 然后進(jìn)行水淬的鑄造樣品。(eh) 示意圖揭示了加熱時(shí)的微觀結(jié)構(gòu)演變。

根據(jù)研究得出以下主要結(jié)論：

(1) 開(kāi)發(fā)的塊狀合金 (Fe 55 Cr 28 Al 12 Ti 3 Si 2 , at. %) 顯示出嵌入有序共格多組分的 BCC-α 基體鑄態(tài)下的納米沉淀。鑄態(tài)合金具有 183 ± 2 μΩ cm 的高電阻率，-35 ± 10 ppm/K（從室溫到 673 K）的小 TCR，1096 MPa 的高屈服強(qiáng)度，高極限抗壓在室溫下，強(qiáng)度為 1694 MPa，中等均勻壓縮應(yīng)變?yōu)?17%。

(2) 多組分納米析出物不僅增強(qiáng)了位錯(cuò)傳播所需的應(yīng)力，而且有助于應(yīng)變離域，從而提高鑄態(tài)合金的應(yīng)變硬化能力。在 673 K 時(shí)，降低的背應(yīng)力和促進(jìn)的位錯(cuò)遷移率緩解了應(yīng)變局部化，并導(dǎo)致進(jìn)一步提高的應(yīng)變硬化能力。因此，與室溫相比，在 673 K 下，鑄態(tài)合金在保持 1055 MPa 的高屈服強(qiáng)度的情況下，可以實(shí)現(xiàn) 1980 MPa 的增強(qiáng)極限抗壓強(qiáng)度和 33% 的均勻壓縮應(yīng)變。

(3) BCC-α基質(zhì)中溶質(zhì)原子的傳導(dǎo)電子散射，多組分納米沉淀物和相干界面有助于鑄態(tài)合金的高電阻率。高度分散的多組分納米沉淀物能夠有效調(diào)節(jié)近藤樣散射并有助于從 300 K 到 673 K的低TCR (-35 ± 10 ppm/K) 。