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西安交大《Acta》：抗拉1.35 GPa ，延伸率90%！研發一種面向極端低溫環境的高性能中熵合金！

2021-09-07 11:34:39 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

導讀：低溫工程應用非常需要具有出色低溫機械性能的金屬材料。本文通過化學成分設計和熱機械加工，開發了一種新型（NiCoCr） 92 Al 6 Ta 2中熵合金（MEA），以實現優異的低溫機械性能。看來孿晶（NiCoCr） 92 Al 6 Ta 2 MEA 表現出強烈的溫度依賴性機械行為，即當測試溫度從 298 降低到 77 K 時，屈服強度、極限強度和拉伸延展性分別從 600 MPa 增加到 800 MPa、1.0 到 1.35 GPa 和 52% 到 90%。該合金實現了優異的強度-延展性協同作用和非凡的應變硬化能力，特別是抗拉強度和伸長率的乘積更優于報道的同類產品。

現代工業對極端低溫環境服役的高性能結構材料的需求日益迫切（如外太空飛行器、低溫恒溫器、液氮/氧/氦運輸存儲等領域），而絕大多數傳統金屬/合金呈現出溫度降低，強度升高但塑韌性下降的現象。近年來，多組元（中/高熵）合金的出現開創了合金材料設計的新理念，并具有突破傳統材料諸多性能極限的潛能，使其在極端環境中應用極具前景。其中單相面心立方（FCC）結構的FeCoCrNiMn高熵合金越低溫越強韌的特性于2014年首次被發現，隨后又發現FCC結構的NiCoCr中熵合金具有比其更高的強塑性和創紀錄的斷裂韌性。然而，單相NiCoCr中熵合金具有較低的屈服強度，是限制其低溫工程應用的主要瓶頸。

近日，西安交大材料學院孫軍教授團隊針對這一問題，以NiCoCr合金為模型合金通過成分結構設計進一步提升了其低溫綜合力學性能。在成分設計上，考慮到合金低溫強度的提升主要源于“short-range stress”的晶格摩擦力，因此以適用于多主元合金的Varvenne模型篩選出Al和Ta作為NiCoCr基體的固溶強化元素并基于VEC準則確定其含量；在微觀結構上，基于位錯-共格孿晶界交互作用的溫度依賴性，利用溶質原子對晶界遷移的抑制效應，同時冷軋后輔以快速退火在組織中預制高密度的退火孿晶，巧妙構筑孿晶結構的（NiCoCr）AlxTay多組元合金。隨后，從Al/Ta合金化協同效應以及溫度效應兩個維度對其力學行為和變形機理進行了深入的探索。

該研究成果日前分別以“Superior strength-ductility synergy and strain hardenability of Al/Ta co-doped NiCoCr twinned medium entropy alloy for cryogenic applications”為題在結構金屬材料領域權威學術期刊Acta Mater.上發表。西安交通大學材料學院在讀博士生張東東為上述論文第一作者，劉剛教授和張金鈺教授為論文通訊作者，西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室為通訊單位。該工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、111計劃2.0等項目的共同資助。

研究結果表明，Al/Ta共摻雜顯著提高了其晶格強度（圖1），并且在室溫下誘發了異常孿生行為，即Al/Ta共摻雜促進了基體NiCoCr合金中退火孿晶形成但抑制變形孿晶，這分別與晶界松弛行為和孿晶機制轉變的尺寸效應密切相關。在液氮溫度下（77K），團隊研發的（NiCoCr）AlxTay合金的低溫綜合力學性能顯著優于目前報道的FCC結構高熵合金和典型的傳統高性能低溫合金（如高Ni鋼、304/316L不銹鋼和TRIP/TWIP鋼）（圖2），使其作為結構材料在極端低溫環境領域具有極大的工業應用潛力。該合金在低溫下展現出多階段的加工硬化能力和優異的均勻塑性，這主要源于合金在變形過程中多種變形機制的協同效應以及所形成的復雜亞結構間的強烈交互作用。另外，（NiCoCr）AlxTay合金優異的低溫力學性能已經引起了相關企業的關注，通過進一步提升其綜合服役性能，能夠取得實際應用。

圖1. Al/Ta合金化效應顯著提高基體NiCoCr合金晶格摩擦力

圖2. （NiCoCr）AlxTay合金室溫和低溫力學性能及與已報道合金的性能對比

圖 4。（NiCoCr） 92 Al 6 Ta 2 MEA 在 298 K 下具有不同應變水平（真實應變：5%、15% 和 43%）的變形微觀結構演變的 EBSD 表征。（a1）-（a4） IPF 圖，顯示張力期間優選取向的發展；（b1）-（b4）相應的 KAM 映射和 KAM 值統計結果的插圖，這意味著 GND 的密度增加。

圖 7。（NiCoCr） 92 Al 6 Ta 2 MEA 在 298 K 下的典型變形子結構顯示了具有不同間斷應變（a/5% 和 b/43%）的微觀結構演變。（a1） {111}滑移軌跡上的位錯滑移（以黃線標記）；（a2）和（a3）GB和退火TB的位錯堆積，以及平面全位錯（用紅色平行線標記）；（b1）沿{111}系統的HDDWs形態；（b2）具有高密度位錯的應變誘導微帶；（b3） SF 的特征和與 FFT 模式相關聯的 SF 的放大圖像。