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常州大學劉祥奎《JMST》：具有優異室溫及低溫力學性能的雙相異質結構共晶高熵合金！

2024-11-08 13:51:30 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

共晶高熵合金（Eutectic high-entropy alloy，EHEAs）結合了傳統共晶合金和高熵合金的潛在優勢，具有優異的鑄造性能和力學性能，在工程領域中顯示出廣闊的應用前景。然而，在共晶高熵合金中，強度的提高通常伴隨著延展性的損失，限制了其大規模工業化應用。

為了進一步強化共晶高熵合金，常州大學劉祥奎等人通過采用冷軋+退火的方法在Ni₄₉Fe₂₈Al₁₇V₆共晶高熵合金中構建非再結晶和再結晶區域組合的雙相異質結構，顯著提高合金室溫及低溫力學性能。研究結果表明，室溫條件下（298 K），該合金屈服強度為1550 MPa，抗拉強度為1772 MPa，均勻延伸率為16.5%。低溫（77 K）條件下，該合金屈服強度提高至1877 MPa，抗拉強度提高至2157 MPa，均勻延伸率保持10%。這種優異的室溫力學性能主要歸因于異質變形誘導（HDI）強化，而低溫下超高的強度不僅源于HDI強化，還源于變形孿晶與高密度位錯的強烈相互作用。本研究結果為高性能合金的開發和實現共晶高熵合金在低溫極端環境的工程應用提供新的思路。相關研究以題為“Ultra-high strength and ductility of eutectic high-entropy alloy with duplex heterostructure at room and cryogenic temperatures”發表在Journal of Materials Science & Technology上。

論文鏈接

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.10.008

隨著材料科學的飛速發展，現代工程應用對材料性能的要求不斷提高，傳統金屬由于難以獲得強度與塑性良好匹配，限制了其在航空航天、交通運輸、能源工業等領域的廣泛應用。因此，開發同時具備超高強度和優異塑性的高性能合金成為材料科學領域的一個重要研究方向。高熵合金（high-entropy alloys, HEAs）憑借其獨特的組織結構、力學性能而備受關注，是新一代結構工程材料的理想合金體系。其中，共晶高熵合金（EHEAs）凝固區間窄、流動性優異，并以其獨特的雙相協調變形能力引起眾多科研工作者的極大關注，成為結構工程材料領域的研究熱點。然而，鑄態共晶高熵合金強度的提升通常伴隨著塑性的損失。在此背景下，研究人員開始通過設計異質結構及微觀組織結構調控來實現合金強度與塑性的協同優化。異質結構是通過引入不同尺度的晶粒區域來調控變形過程中的應力分布和位錯行為，從而在不犧牲塑性的前提下大幅提升合金的強度。同時，析出強化、晶界強化等傳統強化機制與異質變形誘導強化的協同作用也為開發新一代高新能合金提供了新的思路。

作者采用冷軋+退火方法在Ni₄₉Fe₂₈Al₁₇V₆共晶高熵合金中構建雙相異質片層結構，顯著提高了該合金的拉伸力學性能。室溫（298K）環境下，該合金屈服強度為1550 MPa，抗拉強度為1772 MPa，均勻延伸率為16.5%；在低溫（77 K）環境下，該合金屈服強度提高至1877 MPa，抗拉強度提高至2157 MPa，均勻延伸率保持10%。該合金出色的低溫力學性能主要歸因于異質變形誘導硬化以及變形孿晶與高密度位錯的強烈相互作用，為開發具有卓越低溫力學性能的合金提供了新的見解。

圖1、鑄態和軋制-退火態EHEAs（CR-A750 EHEA）的顯微組織。(a) 鑄態EHEA的SEM顯微組織；(b) 鑄態EHEA的HAADF-STEM圖像；(c-d) FCC/L1₂和B2對應的SAED圖；(e) EBSD IPF圖；(f) EBSD相圖；(g) EBSD KAM圖；(h) 再結晶晶粒、亞結構和變形晶粒的EBSD圖；(i) 軋制-退火態EHEA的明場TEM圖像；(j) B2片層中L1₂納米析出相的TEM圖像；(k) L1₂納米析出相的TEM-EDS圖譜；(l) L1₂納米析出相的HRTEM圖像和相應的SAED圖；（m, n, o）明場TEM圖像；(p-q) L1₂和B2相對應的超晶格衍射圖像

圖2、CR-A750 EHEAs在室溫和低溫下的力學性能。(a) 拉伸工程應力-應變曲線；(b) 應變硬化率曲線，插圖為真應力-應變曲線；(c) 室溫屈服強度與均勻延伸率性能對比圖；(d) 低溫屈服強度與均勻延伸率性能對比圖

圖3、CR-A750 EHEA室溫變形組織。

圖4、CR-A750 EHEA低溫變形組織。

綜上，作者通過優化熱機械加工工藝，采用冷軋（軋制變形量87%）和退火工藝（750℃，2小時）在Ni₄₉Fe₂₈Al₁₇V₆共晶高熵合金中構建了一種雙相異質片層結構，使得該合金在室溫和低溫環境下均表現出優異的力學性能。優異的室溫力學性能主要是由于軟硬兩相中異質結構引起的HDI強化，而超高低溫強度不僅源于異質結構引起的HDI強化，還源于變形孿晶和高密度位錯的強烈相互作用。相關研究結果為開發面向工業應用的高性能合金及實現共晶高熵合金在極端環境中的大規模應用提供了新的思路。

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