導語：高強度和高延展性合金對于先進的工程應用至關重要;然而，實現這兩種性能的平衡組合仍然是一個重大挑戰。本文通過組織設計和工藝優化，成功開發出一種具有優異力學性能的合金，采用定向凝固技術制備了雙相高熵合金（HEA），該合金具有獨特的組織結構，顯著提高了強度和塑性，表現出上級力學性能，屈服強度為505 MPa，拉伸強度為1166 MPa，均勻延伸率為19%，與常規鑄態HEA相比，延伸率提高了46%，抗拉強度提高了5%，這些性能的提高是固溶強化、相界面強化、和沉淀硬化機制。詳細的微觀結構分析表明，面心立方相中的分層堆垛層錯網絡有助于增強加工硬化。同時，B2有序納米顆粒作為位錯運動的有力障礙，導致強度的顯著增強。單向層狀組織通過抑制裂紋擴展提高了斷裂韌性。這項研究強調了先進的冶金設計與加工技術相結合的潛力，高強度、韌性金屬材料。

高熵合金（HEAs）的出現通過調整構型熵，使材料設計發生了革命性的變化，實現了包括上級抗氧化性在內的前所未有的性能組合，出色的耐磨性，對輻射損傷具有出色的抵抗力，以及高溫穩定性。最初的HEA設計主要集中在單相固溶體上，其固有地受到強度-延展性權衡的約束：FCC HEAs表現出高塑性但強度有限，而體心立方HEAs具有高強度但延展性較低的特點，這一限制促使了共晶HEAs（EHEAs）的發展。結合多種強化機制，其通過相邊界實現強度和塑性的最佳平衡，這些相互作用增強FCC域中的應變硬化，同時減輕通常與BCC相相關的脆性。

雙相HEAs中的相比工程可通過元素組成調整實現性能調整。例如，Chung等人通過改變FCC/BCC EHEA中的Al含量來合成   HEA。Jia等人設計并開發了合金，調整其相結構以促進納米相析出。通過將Mo引入Al-Co-Cr-Fe-Ni合金體系中，合成了 HEA。添加Mo觸發從共晶到樹枝狀結構的轉變，導致機械強度的顯著改善。然而，增加硬相和脆性相的比例以提高強度通常以犧牲塑性為代價并導致層狀結構完整性的降低，上述研究對HEAs的開發和應用做出了重大貢獻，但目前的研究主要集中在成分設計和強化機制上，對加工技術的研究相對較少。

定向凝固提供了一種成熟的加工技術，可以精確控制微觀結構。通過系統地調節熱梯度方向和凝固動力學，Shi等人成功地合成了具有復雜的分級人字形顯微組織的     Al ₁₉ Fe ₂₀ Co₂₀Ni ₄₁ EHEA。這種新型的結構在延展性方面表現出顯著的三倍增強，同時保持了傳統鑄造HEA的高強度水平特征。同樣，Yu等人采用定向凝固，以150μm/s的受控抽拉速率開發了FCC/BCC雙相Al_0.6CoCrFeNi HEA，其特征在于良好排列的枝晶形態和優異的壓縮性能。除了實現優化的強度-延展性組合，定向凝固是研究AlCoCrFeNi_2.1合金組織演變機制的有效方法，特別是在近平衡條件和極低的凝固速率下，Zheng等人和Oliveira等人通過對AlCoCrFeNi_2.1合金定向凝固過程的系統研究，揭示了AlCoCrFeNi_2.1合金在定向凝固條件下的相組織臨界轉變，他們的研究結果表明，在緩慢凝固條件下，合金從典型的共晶結構轉變為亞共晶結構，這種微觀結構的演變突出了凝固動力學對雙相HEAs中相選擇和形態發展的重要影響。

基于先前的見解，我們通過定向凝固設計了Al_1.25CoCrFeNi_2.8Mo_0.2HEA。盡管其非共晶成分，但該工藝產生了具有對齊共晶層的多尺度異質結構。通過協同多種強化和韌化機制，與傳統鑄造合金相比，強度和延展性都得到了提高。系統的顯微組織表征和力學性能評價表明，相演化和強化機制之間的基本相關性。

以上內容以“Development of high-strength and high-ductility high-entropy alloys via directional solidification: A multifaceted strengthening approach”發表在International Journal of Plasticity上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0749641925001627

圖1.實驗方法的示意圖：（a）用于初始合金合成的真空電弧熔煉工藝;（b）定向凝固裝置和程序;（c）綜合表征和機械測試方案。

圖2.顯示不同加工條件下微觀結構演變的代表性SEM顯微照片：（a）AC HEA中雜亂的近共晶微觀結構，表現出隨機取向的枝晶;（b）DS 5 HEA中定向凝固的微觀結構，表現出粗糙、對齊的枝晶;（c）DS 150 HEA中實現的細化、取向的層狀結構，表現出增強的結構均勻性。

圖3.DS5和DS 150 HEA的元素映射分析：（a）顯示DS5 HEA中元素分布的SEM和EDS圖像;（b）顯示DS 150 HEA中元素分布的SEM和EDS圖像;（c）顯示DS5和DS 150 HEA中元素濃度的統計直方圖。

圖4.DS150 HEA的DSC曲線顯示出明顯的熔融峰。

圖5. DS 150 HEA的相組成和顯微結構特征：（a）SEM圖像和XRD圖案證實FCC和BCC相的存在;（b）兩相層狀結構的示意圖;（c）揭示空間分布和定量相分數的EBSD相圖;（d）突出晶體取向和定向生長織構的IPF圖;（e）BF圖像和SAED圖案進一步驗證FCC和BCC相的共存。

圖6.DS150 HEA的BCC相中B2沉淀物的組成和形態：（a）描繪BCC基質和B2沉淀物的微觀結構的HRTEM圖像;（b）基質的FFT和IFFT圖案;（c）B2沉淀物的FFT和IFFT圖案;（d）B2沉淀物的BF顯微照片;（e）B2粒徑的分布;（f）Cr、Al、Co、Fe、Ni和Mo元素分布的STEM圖和EDS化學圖。

圖7. AC、DS 5和DS 150 HEA的機械性能和性能比較圖：（a）工程應力-應變曲線，說明拉伸性能;（b）真實應力-應變曲線與應變-硬化速率曲線相結合，提供變形和硬化特性的綜合視圖;（c）DS 150 HEA相對于其他鑄態雙相HEA的極限拉伸強度的比較評估。

圖8. AC、DS 5和DS 150 HEA的裂紋擴展和斷裂形態：（a）AC HEA;（b）DS 5 HEA;（c）DS 150 HEA。

圖9. AC HEA和DS 150 HEA的斷裂韌性性能：（a）載荷-位移曲線;（b）室溫斷裂韌性值（KQ）。

圖10.平衡條件下Al1.25CoCrFeNi2.8Mo0.2 HEA的模擬相圖。

圖11. DS5、DS 150和AC HEA的相形成機制：（a）DS5 HEA;（b）DS 150 HEA;（c）AC HEA。

圖12. DS 150 HEA中相界面和位錯之間的相互作用形態：（a）BF圖像、STEM顯微照片和SAED圖案顯示了相界面處的位錯堆積;（b）HRTEM圖像顯示了相界面對位錯運動的阻擋效應和FCC相中平行SF的形成。

圖13. DS 150 HEA中FCC相的變形結構：（a）BF圖像顯示位錯的平面滑移模式;（b）和（c）BF和HRTEM圖像顯示FCC相中的SF網絡。

圖14. DS 150 HEA中BCC相的變形結構：（a）和（b）BF圖像和STEM顯微照片，顯示B2沉淀物的位錯釘扎效應;（c-e）HRTEM圖像和IFFT圖，顯示B2沉淀物界面處的位錯積累。

圖15.在不同應變幅度下DS 150 HEA的微觀結構演變：（a）對應于5%應變的SEM圖像、相圖、LM分布和GND密度圖;（b）對應于10%應變的對應物;（c）對應于15%應變的對應物;（d）對應于斷裂試樣的對應物;（e）在不同應變幅度下BCC和FCC相中的LM值;（f）在不同應變幅下BCC和FCC相中的GND密度。

圖16. DS 150合金納米壓痕實驗的結果：（a）納米壓痕形態;（b）FCC和BCC相的納米硬度的統計分布;（c）FCC和BCC相的彈性模量值的統計分布。

圖17.不同強化機制對DS 150 HEA屈服強度的貢獻：（a）強化貢獻分類;（b）計算值與實驗值的比較。

本研究通過對凝固過程的精確控制，成功合成了一種具有優異強度和塑性協同效應的新型EHEA，并對其相演變、力學性能和變形行為進行了系統研究，主要結論如下：

（1）Al_1.25CoCrFeNi_2.8Mo_0.2HEA，盡管偏離了共晶成分，通過系統地改變凝固條件，成功地轉變為細小的單向共晶組織。

(2)DS 150 HEA合金的σ_y、σ_ut和ε分別為505 MPa、1166 MPa和19%，表明強度和塑性的協同增強，與常規鑄態合金相比，伸長率提高了46%，抗拉強度提高了5%。

(3)快速凝固和單向熱梯度抑制了體心立方相的擇優生長，促進了單向層狀組織的形成，阻止了裂紋擴展，從而穩定了塑性變形。

(4)FCC相中高密度SF的活化促進了SF層狀網絡的形成，有助于顯著的加工硬化; BCC基體中納米析出的B2相阻礙了位錯運動，進一步提高了合金的強度。