西安交大：晶界析出相，助力1597MPa高強高塑性高熵合金

2020-09-16 材料material


由多種元素組成的高熵合金(HEAs)已成為研究的焦點之一。根據最初的設計理念，合金應為穩定單一的固溶狀態。為此，設計了面心立方、體心立方和密排六方等單相HEAs合金。特別是FCC單相HEAs(如FeCoCrMnNi)具有優越的斷裂韌性和延展性，但是強度不足，限制了FCC單相HEAs的廣泛應用。如何在不引起嚴重脆化的情況下有效地將其強化是擴展實際應用的關鍵挑戰之一。

西安交通大學江峰團隊在(FeCoNiCr)89Ti6Al5 (at.%) HEA中引入高密度、細小非共格的L21析出相，通過熱機械加工（冷變形、完全再結晶和時效處理）使析出相均勻分布在再結晶晶界處，最終合金性能提升至屈服強度1136MPa、抗拉強度1597MPa、伸長率為25.3%。相關論文以題為「L21-strengthened face-centered cubic high-entropy alloy with high strength and ductility」發表在Materials Science & EngineeringA。


論文連結：

https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.140056


本研究將Ti和Al作為合金元素加入到FeCoNiCr HEA基體中，通過電弧熔煉生成(FeCoNiCr)89Ti6Al5(at.%) HEA。鑄態合金進行1423K×2h的固溶處理，而後進行冷軋（厚度方向減少80%），冷軋後進行1423K×1.5min的再結晶處理，最後進行1053K×4h的時效處理。

析出強化對位錯運動的阻礙機制有切過機制和繞過機制。經過熱機械加工後的HEA出現大量的L12析出相（10.3±0.2nm），由於析出相較小，位錯運動時將切過析出相進而產生阻礙作用；原基體材料中含有的L21（130.7±1.5nm）粒徑較大，猜測此時為繞過機制，兩種機制共同作用導致合金性能提升。通過理論計算估計L12對強度的貢獻為274.5MPa；L21對強度的貢獻為487.5MPa。

圖1 析出相分布示意圖


圖2 時效後(FeCoNiCr)89Ti6Al5HEA的SEM圖像（a）低倍數圖像；（b）高倍數圖像

研究表明，韌性FeCoNiCr HEA具有極高的n值（0.75），是韌性基體的最佳候選材料之一。觀察拉伸後的斷口發現合金中具有許多不同尺寸的微裂紋（7-170nm），這些微裂紋被厚度幾納米到幾十納米的纖維橋分開，從而抑制了微裂紋的擴展和聚結。本研究的(FeCoNiCr)89Ti6Al5HEA中，FeCoNiCr基體對於維持一定程度的延展性起著關鍵作用。它負責阻礙與硬質L21顆粒相關的微裂紋的擴展，並提供合金的加工硬化能力，所以最終能夠保持25.3%的伸長率。

圖3 (a)顯示三個共存相(FCC矩陣、FCC L12、BCC L21)的HAADF圖像；(b)元素分布；(c) [001]BCC衍射圖證實L21晶體結構；(d) [111]FCC衍射圖證實基體中存在FCC L12析出相

圖4 L12型析出相內部元素分布

圖5 (FeCoNiCr)89Ti6Al5HEA兩種典型試樣的工程應力-應變曲線及相應的斷口

綜上所述，本研究證明了細小均勻分布的L21型Ni2AlTi析出相可以有效地作為延性FCC HEAs的強化相，而不會造成顯著的延性損失。該合金性能大大超過大多數報導的僅通過L12相強化的FCC HEAs的性能。這種耦合強化機制對於新型FCC HEAs開發優越的機械性能具有重要作用，可以擴展HEA在高性能結構中的應用。（文：破風）

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