新方法大幅提高納米晶高熵合金硬度

導讀：本文為高性能納米晶高熵合金（nc-HEA）的製備提供了一種新的技術，具有廣闊的應用前景。在600℃退火1h後，合金硬度從484 HV增加到791 HV。並且在1100 ℃退火後，原始的高硬度仍保持不變，表明nc-HEA具有優異的熱穩定性。讀：本文為高性能納米晶高熵合金（nc-HEA）的製備提供了一種新的技術，具有廣闊的應用前景。在600℃退火1h後，合金硬度從484 HV增加到791 HV。並且在1100 ℃退火後，原始的高硬度仍保持不變，表明nc-HEA具有優異的熱穩定性。

高熵合金（HEAs）由於其良好的塑性、延伸率和耐腐蝕性，成為近年來的研究熱點。為進一步提高性能，研究者通過嘗試高壓扭轉（HPT）、等通道角擠壓（ECAP）、旋轉模鍛和軋制等多種嚴重塑性變形（SPD）方法製備了納米晶高熵合金（nc-HEA）。其中，熱穩定性是納米晶材料最關鍵的問題之一。研究表明，低溫退火後，合金的強度可通過少量沉澱進一步提高，但在高溫下晶粒生長和沉澱物的溶解限制了nc HEA的應用。因此，尋找一種具有良好高溫穩定性的nc-HEA作為下一代高性能合金具有重要意義。

近日，南京理工大學的馮濤教授課題組首次將雷射蒸發源集成到惰性氣體冷凝（IGC）系統中，製備出CoCrFeNiMn nc-HEA，並利用同步輻射高能XRD、TEM和EBSD詳細分析了顯微組織演變與力學性能的關係。研究成果以「Ultrahigh hardness with exceptional thermal stability of a nanocrystalline CoCrFeNiMn high-entropy alloy prepared by inert gas condensation」為題發表於期刊《Scripta Materialia》中。文中指出，雷射IGC系統在選擇合金成分方面比熱蒸發IGC具有更高的靈活性。與SPD製備的nc-HEA不同，雷射IGC-nc-HEA由於具有獨特的微觀結構，顯現出超高的硬度和優異的熱穩定性。

論文連結：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.06.042

TEM結果顯示，不同的Mn含量對該合金體系的硬度沒有顯著影響。製備的雷射IGC-nc-HEA的硬度與其它方法製備的nc-HEA的硬度相近，主要是晶粒細化所致，並且雷射IGC-nc-HEA還具有較高的動態穩定性。

XRD結果表明富鉻BCC相含量隨退火溫度的升高而增加，在600 ℃時達到最大值。隨著溫度的進一步升高，基體相的峰寬逐漸變窄，富Cr相出現分解跡象。在900 °C和1000 °C下，富鉻相完全消失，微觀結構變為單一的FCC相。

選取600℃和900℃等時熱處理1h的樣品，進一步研究其形貌變化和相變。結果顯示在晶粒內部有許多退火納米孿晶，晶界中孿晶邊界分數為~21%，這在製備樣品中很少觀察到。600 ℃退火後樣品的微觀結構從最初較小的球形晶粒變為長大的等軸晶，說明晶界能量降低。元素分析結果也表明析出物是由40-100 nm的富鉻相組成，更加證明了富鉻相的存在。

EBSD圖像表明粗晶區和超細晶區（UFG）共存。大的顆粒被UFG顆粒包圍，形成獨特的異質組織，同時晶界中退火孿晶界的比例非常高。文中製備的合金晶粒尺寸比SPD處理的文獻值小近40倍，但是比耐高溫合顯示出更好的高溫穩定性，這歸因於晶格畸變引起的緩慢擴散及其複雜的微觀結構。

綜上所述，該研究為製備具有超高硬度和優異熱穩定性的新型納米結構金屬材料提供了一種新的方法。與鑄態試樣和其它方法製備的鈷鉻合金相比，首次用雷射源IGC製備的（CoCrFeNi）93.5Mn6.5 nc-HEA具有超高的硬度，這是因為其具有複雜的微觀結構和多種強化機制。其特別還在於經高溫退火後，硬度仍能保持在較高水平，這不僅涉及到沉澱硬化，還包括孿晶的形成和異質組織引起的背應力強化。