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中南大學《IJP》半共格納米層狀結構強化中熵合金寬溫域力學性能

2025-07-21 11:08:21 作者：本網發布來源：材料學網分享至：

【文章信息】

題目：Achieving superior mechanical properties over a wide temperature range in NiCoVTa medium-entropy alloy via semi-coherent nanolamellar structure

第一作者：蔡偉金

通訊作者：王章維、黃偉穎、程度

單位：中南大學、長沙理工大學、上海交通大學

【導讀】本研究采用擴散速率控制析出相粗化的策略，成功設計半共格納米層狀κ/γ雙相結構來增強NiCoV中熵合金的析出強化效應。通過相圖計算方法和密度泛函理論，確定了Ta是阻礙κ相粗化的有效抑制劑。結合κ相的快速形核動力學，能夠在γ晶粒內形成高密度的納米級半共格κ相。高密度相界面有效地阻礙了位錯的移動，顯著增強了NiCoV_0.9Ta_0.1合金的應變硬化能力，而界面的共格特性允許γ和κ相之間協調變形，有效地緩解了應力集中。這種獨特的半共格納米層狀κ/γ復合結構，結合高溫環境誘導產生的納米尺度共格L1₂析出相，最終使NiCoV_0.9Ta_0.1中熵合金在77 K至923 K的寬溫度范圍內表現出優異的力學性能。通過集成計算技術和變形微結構的多尺度表征，本章研究系統闡明了納米層狀結構合金設計及其潛在的變形機制，為極端環境應用結構材料的研制與開發提供了重要見解。

【研究背景】NiCoV中熵合金如此優異的力學性能遠遠超過其他FCC單相合金，使其成為開發超強性能的新型模型合金。利用成分設計及熱處理工藝調控，引入析出強化策略，可以有效阻礙位錯運動，顯著提高了FCC基NiCoV中熵合金的強度，例如廣泛使用的σ、μ和Heusler等析出相。但析出相與基體較差的共格性容易導致嚴重的局部應力集中，致使塑性顯著下降。

本研究采用擴散速率控制析出相粗化的策略，成功設計半共格納米層狀κ/γ結構來增強NiCoV中熵合金的析出強化效應。通過相圖計算方法和密度泛函理論，確定了Ta是阻礙κ相粗化的有效抑制劑。結合κ相的快速形核動力學，能夠在γ晶粒內形成高密度的超細半共格κ相。本章節研究提出了一種擴散速率控制析出相粗化的方法，用于制備半共格納米層狀結構增強的NiCoV_0.9Ta_0.1中熵合金，該合金在廣泛的溫度范圍內表現出優異的強度-延性結合，為不同溫度下的變形機制提供了見解。主要結論如下：

（1）利用CALPHAD和DFT計算，有效識別Ta元素并將其引入NiCoV中熵合金中形成κ片層。Ta固有的緩慢原子擴散速率成功地抑制了κ片層的增厚，導致NiCoV_0.9Ta_0.1中熵合金內形成超細、半共格的納米片層結構。

（2）半共格的納米層狀結構強化的NiCoV_0.9Ta_0.1中熵合金在77 K變形時，屈服強度1.2 GPa，抗拉強度1.9 GPa，延伸率40.1%，在923 K變形時，屈服強度0.9 GPa，抗拉強度1.4 GPa，延伸率20.4%，展現出寬溫域范圍內卓越的綜合力學性能。

（3）優異的強度源自于超細片層結構對位錯運動的顯著抵抗，以及顯著的晶界強化和固有的高晶格摩擦應力。在923 K拉伸試驗中析出的納米尺度共格L1₂相補償了屈服應力因晶格摩擦和晶界強化因高溫環境而產生的退化。

（4）顯著的應變硬化行為和極限抗拉強度歸因于κ相和位錯之間復雜的相互作用。具體而言，初期位錯塞積在κ相處顯著提高了應變硬化速率，而隨后的位錯剪切和層錯激活則緩解了應力集中，協同穩定了塑性變形。此外，變形引起的位錯亞結構，包括9R相、納米孿晶和位錯纏結，在77 K至723 K的溫度范圍內對高水平的應變硬化起了重要作用。

（5）923 K變形過程中形成的納米尺度共格L1₂相與后續變形過程中的位錯相互作用強烈，促進了大量層錯的產生。這些層錯之間的相互作用以及層錯與κ片層之間的剪切相互作用導致了923 K時異常的高應變硬化。

相關研究成果以“Achieving superior mechanical properties over a wide temperature range in NiCoVTa medium-entropy alloy via semi-coherent nanolamellar structure”發表在《International Journal of Plasticity》，論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0749641925001524