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大連理工《Scripta Mater》：新型輕質(zhì)高強(qiáng)、低成本共晶高熵合金！

2021-09-22 15:11:09 作者：材料科學(xué)與工程來(lái)源：材料科學(xué)與工程分享至：

開(kāi)發(fā)在高溫下具有優(yōu)異性能的輕質(zhì)、低成本的結(jié)構(gòu)材料一直是研究人員追求的方向。迄今為止，廣泛用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)的傳統(tǒng)鎳基高溫合金的最高使用溫度已達(dá)到其熔點(diǎn)的80%。因此，這些高溫合金已無(wú)法滿足工作溫度進(jìn)一步升高而產(chǎn)生的更嚴(yán)苛的使用要求。共晶高熵合金（EHEAs）結(jié)合了高熵合金（HEAs）和共晶合金的優(yōu)點(diǎn)，并表現(xiàn)出可控的、接近平衡的微觀結(jié)構(gòu)，可以抵抗溫度變化直至共晶點(diǎn)，是高溫下應(yīng)用的絕佳候選者。EHEA具有良好的可鑄性，可以通過(guò)直接鑄造制成工業(yè)規(guī)模的鑄件。因此這種EHEA因其卓越的強(qiáng)度和延展性而受到關(guān)注。

已有報(bào)道的EHEAs中觀察到的共晶相，發(fā)現(xiàn)它們主要由面心立方（FCC）和B2相或FCC和Laves相組成。在這些相中，F(xiàn)CC相具有延展性，但強(qiáng)度較低。B2相具有較高的室溫強(qiáng)度，但在高溫下的抗蠕變性較差。Laves相有多種晶體結(jié)構(gòu)，但最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)仍不清楚。Laves相隨著溫度和外加應(yīng)力的變化而發(fā)生轉(zhuǎn)變并具有室溫脆性，使EHEAs中難以控制其微觀結(jié)構(gòu)和性能。因此，仍沒(méi)有開(kāi)發(fā)出適合高溫下應(yīng)用的EHEAs。

大連理工大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種質(zhì)輕且成本低的大塊共晶高熵合金，鑄態(tài)表現(xiàn)出更高的室溫、高溫硬度和比屈服強(qiáng)度，性能高于大多數(shù)已有報(bào)道的EHEAs、難熔HEAs和傳統(tǒng)合金。相關(guān)論文以題為“A novel bulk eutectic high-entropy alloy with outstanding as-cast specific yield strengths at elevated temperatures”發(fā)表在Scripta Materialia。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114132

研究發(fā)現(xiàn)AlCr1.3TiNi2合金由BCC和L21相組成。2θ值為26.1°和30.3°的低角度超晶格衍射峰分別來(lái)自于有序L21相的（111）和（200）面，其計(jì)算晶格參數(shù)（aL21）為0.5895 nm。BCC相的晶格參數(shù)（aBCC）計(jì)算為0.2892 nm，BCC和L21相之間的晶格失配通過(guò)計(jì)算后確定為1.90%，這表明兩相之間的界面是半共格的。EBSD圖中細(xì)薄片（平均寬度約為270 nm）具有BCC結(jié)構(gòu)，而粗薄片（平均寬度約為510 nm）具有L21結(jié)構(gòu)。BCC相富含Cr（含有超過(guò)90% Cr）。富含Ni、Al和Ti的L21相可以表示為Ni2AlTi，這是一類Heusler型有序相，具有L21結(jié)構(gòu)。

圖1（a）AlCr1.3TiNi2合金宏觀形貌；（b, c）鑄態(tài)SEM圖像；（d）XRD圖；（e, f）鑄錠的EBSD圖和DSC曲線

圖2 AlCr1.3TiNi2合金的TEM圖像

圖3 AlCr1.3TiNi2合金的APT表征結(jié)果

在常溫下，AlCr1.3TiNi2和Co1.5CrFeNi1.5Ti0.5具有相似的硬度值，但AlCr1.3TiNi2 EHEA在較高溫度下的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于Co1.5CrFeNi1.5Ti0.5HEA。AlCr1.3TiNi2 800℃時(shí)的平均硬度值為490.7 HV，900℃時(shí)的平均硬度值為483.5HV，在相同溫度下，遠(yuǎn)高于Co1.5CrFeNi1.5Ti0.5HEA（約385 HV和346 HV）的值，這表明AlCr1.3TiNi2EHEA具有出色的抗高溫軟化性能。在超過(guò)800℃的溫度下，合金在超過(guò)50%的壓縮應(yīng)變下沒(méi)有斷裂，這表明AlCr1.3TiNi2 EHEA具有優(yōu)異的高溫塑性。AlCr1.3TiNi2 EHEA在室溫和高溫下均保持較高的比屈服強(qiáng)度（SYS）。

圖4 AlCr1.3TiNi2合金硬度與溫度關(guān)系比較、不同溫度下壓縮的應(yīng)力應(yīng)變曲線和SYS與溫度的關(guān)系比較

本文開(kāi)發(fā)了一種由L21和BCC相組成的新型輕量級(jí)EHEA，Heusler型L21相首次在EHEAs中發(fā)現(xiàn)。通過(guò)直接凝固方法成功制造了具有均勻超細(xì)層狀結(jié)構(gòu)（層間距約400nm）的千克級(jí)AlCr1.3TiNi2EHEA。與大多數(shù)報(bào)道的RHEA、HEA、EHEA和傳統(tǒng)合金相比，鑄態(tài)大塊EHEA具有更高的室溫高溫硬度和SYS值。AlCr1.3TiNi2 EHEA有望在高溫材料領(lǐng)域得到一定應(yīng)用。（文：破風(fēng)）

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