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西安交通大學(xué)孫軍教授團(tuán)隊(duì)：一種面向極端低溫環(huán)境的高性能中熵合金

2021-09-08 15:44:40 作者：材料人來源：材料人分享至：

現(xiàn)代工業(yè)對(duì)極端低溫環(huán)境服役的高性能結(jié)構(gòu)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(yùn)輸存儲(chǔ)等領(lǐng)域），而絕大多數(shù)傳統(tǒng)金屬/合金呈現(xiàn)出溫度降低，強(qiáng)度升高但塑韌性下降的現(xiàn)象。近年來，多組元（中/高熵）合金的出現(xiàn)開創(chuàng)了合金材料設(shè)計(jì)的新理念，并具有突破傳統(tǒng)材料諸多性能極限的潛能，使其在極端環(huán)境中應(yīng)用極具前景。其中單相面心立方（FCC）結(jié)構(gòu)的FeCoCrNiMn高熵合金越低溫越強(qiáng)韌的特性于2014年首次被發(fā)現(xiàn)，隨后又發(fā)現(xiàn)FCC結(jié)構(gòu)的NiCoCr中熵合金具有比其更高的強(qiáng)塑性和創(chuàng)紀(jì)錄的斷裂韌性。然而，單相NiCoCr中熵合金具有較低的屈服強(qiáng)度，是限制其低溫工程應(yīng)用的主要瓶頸。

近日，西安交通大學(xué)材料學(xué)院孫軍教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)這一問題，以NiCoCr合金為模型合金通過成分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)一步提升了其低溫綜合力學(xué)性能。在成分設(shè)計(jì)上，考慮到合金低溫強(qiáng)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(qiáng)化元素并基于VEC準(zhǔn)則確定其含量；在微觀結(jié)構(gòu)上，基于位錯(cuò)-共格孿晶界交互作用的溫度依賴性，利用溶質(zhì)原子對(duì)晶界遷移的抑制效應(yīng)，同時(shí)冷軋后輔以快速退火在組織中預(yù)制高密度的退火孿晶，巧妙構(gòu)筑孿晶結(jié)構(gòu)的（NiCoCr）AlxTay多組元合金。隨后，從Al/Ta合金化協(xié)同效應(yīng)以及溫度效應(yīng)兩個(gè)維度對(duì)其力學(xué)行為和變形機(jī)理進(jìn)行了深入的探索。研究結(jié)果表明，Al/Ta共摻雜顯著提高了其晶格強(qiáng)度（圖1），并且在室溫下誘發(fā)了異常孿生行為，即Al/Ta共摻雜促進(jìn)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(jī)制轉(zhuǎn)變的尺寸效應(yīng)密切相關(guān)。在液氮溫度下（77K），團(tuán)隊(duì)研發(fā)的（NiCoCr）AlxTay合金的低溫綜合力學(xué)性能顯著優(yōu)于目前報(bào)道的FCC結(jié)構(gòu)高熵合金和典型的傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)材料在極端低溫環(huán)境領(lǐng)域具有極大的工業(yè)應(yīng)用潛力。該合金在低溫下展現(xiàn)出多階段的加工硬化能力和優(yōu)異的均勻塑性，這主要源于合金在變形過程中多種變形機(jī)制的協(xié)同效應(yīng)以及所形成的復(fù)雜亞結(jié)構(gòu)間的強(qiáng)烈交互作用。另外，（NiCoCr）AlxTay合金優(yōu)異的低溫力學(xué)性能已經(jīng)引起了相關(guān)企業(yè)的關(guān)注，通過進(jìn)一步提升其綜合服役性能，能夠取得實(shí)際應(yīng)用。

圖1. Al/Ta合金化效應(yīng)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(xué)性能及與已報(bào)道合金的性能對(duì)比

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”和“Achieving excellent strength-ductility synergy in twinned NiCoCr medium-entropy alloy via Al/Ta co-doping”為題在結(jié)構(gòu)金屬材料領(lǐng)域權(quán)威學(xué)術(shù)期刊Acta Mater.和JMST上發(fā)表。西安交通大學(xué)材料學(xué)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(xué)金屬材料強(qiáng)度國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為通訊單位。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、111計(jì)劃2.0等項(xiàng)目的共同資助。

文章鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1005030221002139#fig0060

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645421006686#sec0021

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