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(jù)最初的設(shè)計理念，合金應(yīng)為穩(wěn)定單一的固溶狀態(tài)。為此，設(shè)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(yōu)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(yīng)用。如何在不引起嚴(yán)重脆化的情況下有效地將其強化是擴展實際應(yīng)用的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。

西安交通大學(xué)江峰團隊在（FeCoNiCr）89Ti6Al5 （at.%） HEA中引入高密度、細(xì)小非共格的L21析出相，通過熱機械加工（冷變形、完全再結(jié)晶和時效處理）使析出相均勻分布在再結(jié)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(guān)論文以題為“L21-strengthened face-centered cubic high-entropy alloy with high strength and ductility”發(fā)表在Materials Science & EngineeringA。

論文鏈接：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(tài)合金進(jìn)行1423K×2h的固溶處理，而后進(jìn)行冷軋（厚度方向減少80%），冷軋后進(jìn)行1423K×1.5min的再結(jié)晶處理，最后進(jìn)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(jīng)過熱機械加工后的HEA出現(xiàn)大量的L12析出相（10.3±0.2nm），由于析出相較小，位錯運動時將切過析出相進(jìn)而產(chǎn)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(dǎo)致合金性能提升。通過理論計算估計L12對強度的貢獻(xiàn)為274.5MPa；L21對強度的貢獻(xiàn)為487.5MPa。

圖1 析出相分布示意圖

圖2 時效后（FeCoNiCr）89Ti6Al5HEA的SEM圖像（a）低倍數(shù)圖像；（b）高倍數(shù)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。觀察拉伸后的斷口發(fā)現(xiàn)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(jié)。本研究的（FeCoNiCr）89Ti6Al5HEA中，F(xiàn)eCoNiCr基體對于維持一定程度的延展性起著關(guān)鍵作用。它負(fù)責(zé)阻礙與硬質(zhì)L21顆粒相關(guān)的微裂紋的擴展，并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(jié)構(gòu)；（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(nèi)部元素分布

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

綜上所述，本研究證明了細(xì)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(shù)報道的僅通過L12相強化的FCC HEAs的性能。這種耦合強化機制對于新型FCC HEAs開發(fā)優(yōu)越的機械性能具有重要作用，可以擴展HEA在高性能結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。