香港城大&西北工大提出新型高熵合金設計思路！打破「炒菜」法
2020-10-13 材料學網materials導讀：成分經過精心調整的沉澱硬化高熵合金(HEAs)顯示出優異的力學性能，具有巨大的工程應用潛力。然而，多元HEAs的組成設計仍不可避免地依賴「炒菜」式的試錯方法。本研究提出了一個指導沉澱硬化HEAs定量設計的框架。在這個框架中，元素分配被用作一個關鍵的路線，以避免設計沉澱硬化HEAs的熱力學挑戰。通過提出的框架預測了Ti/Al比值在γ-γ′ HEAs的設計中所起的作用，並通過實驗研究進行了驗證。該框架預測，在Ti和Al的總含量一定時，較高的Ti/Al比會使γ-γ′ HEA增強。這些發現為設計析出硬化合金提供了一條新的途徑，也為設計出γ-γ′ HEA提供了更深入的見解。
高熵合金(HEAs)的多主元設計理念激發了對先進金屬材料的廣泛科學研究。這個新設計策略提供了一個幾乎無限的組合空間來設計新的合金。在過去的十年中，基於多主元設計的理念開發了大量新型HEAs，並被證明在結構應用上很有前景。其中，沉澱硬化HEAs與納米級共格沉澱從低溫到高溫顯示良好的抗拉強度和延性。一些研究表明，沉澱硬化貢獻了沉澱硬化HEAs的大部分屈服強度。因此，對共格析出物的設計，包括其體積分數、反相邊界能、晶格失配、尺寸分布等，對於進一步強化沉澱硬化HEAs具有重要意義。
從沉澱轉化的物理圖像來看，元素的分配行為決定了兩相的化學組成。理論上，給定合金的元素分配行為是由兩相的相對吉布斯自由能決定的，因此是名義成分和溫度的函數。過去，很難精確測量納米結構的元素分區沉澱硬化合金由於有限的空間解析度的傳統SEM-EDS或透TEM-EDS。幸運的是，快速發展的原子探針斷層攝影(APT)技術為克服這一問題提供了很大的機會。由於APT具有強大的定量能力，通過元素分配預測析出物的化學組成，進而預測析出物的體積分數、反相邊界和晶格錯配，有望成為設計沉澱硬化HEAs的新途徑。
為了證明這一假設，香港城市大學聯合西北工業大學、美國橡樹嶺國家實驗室等五所頂級科研機構建立了一個框架來指導沉澱硬化HEAs的設計，使用元素分配作為名義成分和力學性能之間的中間環節。基於這一框架預測三個新型的元素分區和沉澱硬化效應γ-γʹ的HEAs。然後進行APT和力學測試來驗證了這些預測。這些發現為多元高熵合金的設計提供了一個思路。這種新的設計方法將有效地避免耗時的試錯實驗，促進HEAs的發展。相關研究成果以Elemental partitioning as a route to design precipitation-hardened high entropy alloys為題發表在Journal of Materials Science & Technology上。論文連結：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.09.021
目前研究設計了一種沉澱硬化HEAs的新框架。與大多數傳統的設計策略不同，目前的框架使用元素分配作為一個重要的途徑，以克服缺乏精確的多相圖所帶來的熱力學挑戰。從資料庫報告得到分配係數的多重線性關係，預測的在一個特定的γ-γʹ HEA中化學成分和γʹ相體積分數。根據預測的化學成分，通過新定義的參數的值來估算出凝固相的強化效果
。當Ni2CoCrFeTixAly (x + y = 0.3) HEAs的Ti/Al比從0.5增加到2時，γʹ相的體積分數從0.138增加到0.187。同樣，隨著Ti/Al比的增加，預測的析出硬化效應也從253 MPa增加到457 MPa。
圖1 (a) 傳統設計策略與(b)當前設計路線的示意圖相比。恰當的量化基本分配係數被用作一個中間連結到量化基質-沉澱HEAs的化學成分，從而確定其力學響應的關鍵特徵(例如體積分數f、反相邊界能(γAPB)、晶格失配係數ε)。
圖2預測的HEAs分配係數與APT測量所得分配係數的比較。
圖3元素分配係數矩陣的分離證明。回歸係數的絕對值越大，對分配行為的影響越強。Ti和Al在Ni-Co-Cr-Fe-Ti-Al體系的元素分配行為中起著至關重要的作用。
圖4 HEAs中γʹ相相對於(a) γʹ的Ti /Al比和(b)當前定義的參數
的反相邊界能量圖
圖5 Ni2CoCrFeTixAly HEA在800℃時效1h的TEM-DF圖，DP圖和HRTEM圖(a-c)Ni2CoCrFeTi0.1Al0.2 HEA，(d-f)Ni2CoCrFeTi0.15Al0.15 HEA，(g-i)Ni2CoCrFeTi0.2Al0.1 HEA。三種HEAs都是由球形γ和γʹ組成的。預測γʹ相的體積分數和加強效果被實驗研究成功驗證。APT和TEM結果表明，隨著Ti/Al比的增加，測得的TEM相體積分數從0.129增加到0.186，拉伸試驗表明強化效果從248增加到433 MPa。預測和實驗研究表明，在高鈦鋁比的HEAs中，Ti元素的配分係數增強了，從而提高了液相的體積分數和強化效果。
圖6 Ni2CoCrFeTi0.1Al0.2 HEA在800℃下時效1小時的APT表徵:(a)不同元素的原子圖，(b)跨基質和析出物界面構建的近距離直方圖，顯示不同元素的分配和50 at % Ni等濃度表面的三維結構。該顆粒明顯富含Ni、Ti和Al，而在Co、Fe和Cr中耗盡
圖7 Ni2CoCrFexAly HEAs的預測和實驗元素分配係數的比較。合金編號1、2、3分別代表Ni2CoCrFeTi0.1Al0.2 HEA、Ni2CoCrFeTi0.15Al0.15 HEA和Ni2CoCrFeTi0.2Al0.1 HEA
圖8 (a) Ni2CoCrFeTixAly HEAs中液相的預測和實驗體積分數，(b) 800℃下時效1h的Ni2CoCrFeTixAly HEAs的拉伸應力-應變曲線，(c) Ni2CoCrFeTixAly HEAs中液相的預測和實驗沉澱強化效應。合金編號1、2、3分別代表Ni2CoCrFeTi0.1Al0.2 HEA、Ni2CoCrFeTi0.15Al0.15 HEA和Ni2CoCrFeTi0.2Al0.1 HEA。總之，這些發現為多元高熵合金的設計提供了一個思路。這種新的設計方法將有效地避免耗時的試錯實驗，促進HEAs的發展。此外，基於設計路線的元素分配方法也可應用於其他沉澱硬化合金的設計中。版權聲明本文來自材料學網微信公眾號，歡迎友好轉載，轉載請聯繫後臺，未經許可，謝絕轉載
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