導(dǎo)讀：本文開發(fā)了一種新型沉淀強(qiáng)化多元富鎳高熵合金 (HEA)，即使在 1000°C 的溫度下也不會(huì)發(fā)生應(yīng)變軟化。由于晶間開裂的快速發(fā)生，具有球形析出物和直晶界的 HEA 變脆，表現(xiàn)出較差的抗拉強(qiáng)度~220 MPa，均勻伸長率不足，僅為 ~1.9%。鋸齒狀晶界結(jié)構(gòu)有效地克服了這種晶間開裂問題。所得的具有不規(guī)則形狀沉淀物和鋸齒狀晶界的 HEA 顯示出脆性到韌性的轉(zhuǎn)變，提供高達(dá) ~260 MPa 的優(yōu)異強(qiáng)度，同時(shí)保持 ~6.5% 的均勻伸長率。這種強(qiáng)度和延展性的提高歸因于鋸齒狀晶界對晶間裂紋形核和擴(kuò)展的抵抗力增強(qiáng)。該結(jié)果為具有優(yōu)異機(jī)械性能的高溫結(jié)構(gòu)材料的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了一種新方法。

具有高強(qiáng)度、足夠均勻伸長率和800°C以上高溫環(huán)境耐受性的耐熱金屬材料是現(xiàn)代民用和工業(yè)應(yīng)用的迫切需求，例如飛機(jī)、直升機(jī)和火箭的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片和盤和陸基燃?xì)廨啓C(jī)。長期以來，鎳基高溫合金一直是這些應(yīng)用的最佳選擇。現(xiàn)在正在積極尋求進(jìn)一步提高高溫能力和蠕變強(qiáng)度，以提高推重比和燃油效率；然而，這種進(jìn)一步的改進(jìn)現(xiàn)在幾乎達(dá)到了他們的瓶頸。最近，高熵合金 (HEAs) 已成為一類新的結(jié)構(gòu)材料。開發(fā)的 HEA 通常由五個(gè)或更多主要元素組成，也可能包含次要元素以優(yōu)化總構(gòu)型熵至少為 1.5 R（R是氣體常數(shù)）的屬性。

這種多原理元素概念擴(kuò)大了相圖中較寬的中心區(qū)域的成分選擇，獲得所需的機(jī)械和化學(xué)性能，如高強(qiáng)度、高延性、高韌性、高比強(qiáng)度和優(yōu)異的高溫強(qiáng)度以及良好的耐腐蝕性能，以滿足各種服務(wù)應(yīng)用。其中，由共格l12型納米顆粒強(qiáng)化的沉淀硬化HEAs由于其在77 K到環(huán)境溫度之間具有極強(qiáng)的強(qiáng)度-延展性協(xié)同效應(yīng)而顯示出了巨大的潛力。通過仔細(xì)控制晶界沉淀來消除脆性相的沉淀，或控制晶界類型和分布來構(gòu)建非均勻的柱狀晶粒微結(jié)構(gòu)，這些納米顆粒強(qiáng)化的HEAs在700-800℃的中等溫度下表現(xiàn)出了極高的強(qiáng)度和可觀的延展性。由于熵對溫度的乘積比焓對溫度的乘積演化更明顯，因此在較低的自由能下，基體和析出相的相穩(wěn)定性在高溫下都得到了增強(qiáng)。納米沉淀物強(qiáng)化HEAs具有良好的高溫力學(xué)性能，然而，目前對這些合金的力學(xué)性能和變形機(jī)制的研究大多集中在不超過 800°C 的溫度下，而很少研究它們在 800°C 以上的溫度下的行為。

此外，納米沉淀強(qiáng)化的HEA存在嚴(yán)重的應(yīng)變軟化問題，應(yīng)變軟化問題導(dǎo)致這些材料容易出現(xiàn)偶爾過載和不希望的塑性不穩(wěn)定性。一旦開始塑性變形，就會(huì)發(fā)生快速連續(xù)的頸縮到一點(diǎn)，這不可避免地導(dǎo)致均勻伸長率差，長期使用會(huì)帶來嚴(yán)重的使用不可靠性和安全風(fēng)險(xiǎn)。隨著溫度、晶界變得比晶粒內(nèi)部更弱，另一個(gè)關(guān)鍵問題，快速晶間開裂，例如沿晶界開裂，可以預(yù)見在高溫下會(huì)變得更加強(qiáng)烈。快速的晶間開裂導(dǎo)致試樣過早斷裂，這也導(dǎo)致了較差的均勻延伸率。

在此，香港城市大學(xué)劉錦川院士團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新型的沉淀強(qiáng)化HEA，并有望耐受 1000°C 及以上的使用溫度。我們首先使用 TTNI8 數(shù)據(jù)庫仔細(xì)評估了 CALPHAD（計(jì)算PHAse Diagrams）技術(shù)輔助的 Ni-Co-Cr-Fe-Al-Ti-W-Mo 系統(tǒng)，最后設(shè)計(jì)了一種新型的多組分富鎳 HEA（MNiHEA） Ni 46.23 Co 23 Cr 10 Fe 5 Al 8.5 Ti 4 W 2 Mo 1 C 0.15 B 0.1 Zr 0.02。我們用來篩選該目標(biāo)成分的標(biāo)準(zhǔn)可以描述如下：1) 添加 Al 和 Ti 以生成高密度 L1 2析出物的形成進(jìn)行沉淀硬化；2) 摻雜 10 at.% 的 Cr 以形成 Cr 2 O 3膜以進(jìn)一步改善熱腐蝕和高溫下的抗氧化性；3) W 和 Mo 合金化用于基體的固溶強(qiáng)化和析出物的緩慢粗化動(dòng)力學(xué)；4）微合金化少量C、B和Zr用于晶界強(qiáng)化；5) 相應(yīng)地調(diào)整 Ni、Co 和 Fe 的濃度以穩(wěn)定 FCC（面心立方）基體。隨后，在 MNiHEA 中引入了鋸齒狀晶界，以消除應(yīng)變軟化和快速晶間開裂問題。系統(tǒng)地研究了微觀結(jié)構(gòu)、拉伸性能以及相關(guān)的變形和斷裂機(jī)制。相關(guān)研究成果以“Multicomponent Ni-rich high-entropy alloy toughened with irregular-shaped precipitates and serrated grain boundaries”為題發(fā)表在Scripta materialia上。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646221003468

圖1。STG-MNiHEA 和 SEG-MNiHEA 試樣的顯微結(jié)構(gòu)。(a) Thermo-Calc 預(yù)測的 MNiHEA 的平衡相圖。(b-d) STG-MNiHEA HEA標(biāo)本。b，代表性 SEM 圖像。顆粒內(nèi)部 (GI) (c) 和 STGB (d) 處的球形沉淀。(e-g) SEG-MNiHEA 標(biāo)本。e，典型的 SEM 圖像。在晶粒內(nèi)部 (f) 和 SEGBs (g) 內(nèi)有不規(guī)則形狀的沉淀物。(h) XRD 曲線。(i) SEG-MNiHEA 樣品的 TEM 暗場 (DF) 圖像。插圖是選區(qū)電子衍射 (SAED) 圖案。(j) 高分辨率 TEM (HR-TEM) 圖像。右邊的插圖分別是相應(yīng)的 FCC 矩陣和 L1 2沉淀物的快速傅立葉變換 (FFT) 圖像。

圖2。SEG-MNiHEA 試樣不規(guī)則形析出物的元素分布分析。(a) EPMA地圖。(b) 3D-APT 收集的 Ni、Co、Cr、Fe、Al、Ti、W 和 Mo 元素的原子圖。(c) 在 FCC 基質(zhì)/L1 2沉淀界面上構(gòu)建的鄰近直方圖。

圖3。STG-MNiHEA 和 SEG-MNiHEA 試樣在室溫 (RT) 和 1000°C 下的拉伸性能。分別在室溫 (a) 和 1000°C (b) 下的單軸拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（c）中在1000℃的SEG-MNiHEA試樣的強(qiáng)度和均勻伸長率的優(yōu)異組合與一個(gè)不尋常SEGB增韌相比各種常規(guī)鍛造鎳基超合金，以前HEA與和STG-MNiHEA對應(yīng)物。“開口”符號(hào)表示屈服強(qiáng)度，“半開口半實(shí)心”符號(hào)表示抗拉強(qiáng)度， 分別。(d) 在 1000°C 下拉伸的斷裂 STG-MNiHEA 和 SEG-MNiHEA 試樣的典型 SEM 斷口圖。左右插圖是標(biāo)記矩形區(qū)域的放大視圖。

圖 4。(a-d) 在 1000°C 下拉伸的斷裂 STG-MNiHEA 試樣的側(cè)面。a，SEM圖像。TD，拉伸加載方向。在EBSD帶對比度（BC）圖（b）中，反極圖（IPF）圖（c）和內(nèi)核平均方位差（KAM）圖（d）中選擇的區(qū)域的圖4一個(gè)。在插圖圖4 c是標(biāo)記區(qū)，在放大顯示圖4 ℃。(e-h) 在 1000°C 下拉伸的斷裂 SEG-MNiHEA 試樣的側(cè)面。e，SEM圖像。EBSD BC圖（f）中，IPF圖（g）中，在標(biāo)記的區(qū)域的放大視圖的KAM地圖（H）圖4即

總之，我們成功地開發(fā)了一種新型 Ni 46.23 Co 23 Cr 10 Fe 5 Al 8.5 Ti 4 W 2 Mo 1 C 0.15 B 0.1 Zr 0.02 (at.%) MNiHEA，使用計(jì)算輔助的CALPHAD方法通過相干 L1 2沉淀物強(qiáng)化。SEG-MNiHEA 試樣克服了應(yīng)變軟化和快速晶間開裂的問題，表現(xiàn)出不尋常的連續(xù)應(yīng)變硬化和脆韌轉(zhuǎn)變，拉伸強(qiáng)度提高高達(dá)~260 MPa，均勻伸長率分別高達(dá)~6.5%。我們的研究結(jié)果已經(jīng)證明了強(qiáng)大的實(shí)用性和高溫增韌析出強(qiáng)化的效果HEA與通過SEGB架構(gòu)。此處采用的緩慢冷卻方法引入 SEGB 和不規(guī)則形狀的析出物，簡單易控制，易于被工業(yè)過程采用，因此可用于生產(chǎn)許多 SEGB 結(jié)構(gòu)的 HEA 和常規(guī)高溫合金。增強(qiáng)強(qiáng)度-延展性協(xié)同作用。因此，我們目前的研究結(jié)果為未來設(shè)計(jì)用于高溫結(jié)構(gòu)應(yīng)用的高性能沉淀強(qiáng)化 HEA 和高溫合金提供了一種新方法。