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西交大孫軍院士團隊: 超高熱穩定性共格納米相調控中熵合金變形機制

2022-07-13 16:44:10 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

近年來，多主元中/高熵合金的出現開創了金屬材料設計的新理念，并且這類材料具有突破傳統合金材料諸多性能極限的潛能。尤其具有優異的綜合力學性能。其中單相面心立方(FCC)結構的NiCoCr中熵合金是典型代表。然而，單相NiCoCr中熵合金雖然具有超高的斷裂韌性和拉伸延性，但其較低的屈服強度限制了其工程應用。

近日，西安交通大學孫軍院士團隊的D.D. Zhang等人針對這一問題，通過在NiCoCr合金中引入高密度的納米共格L12相以提高其力學性能。不同于之前報道的以Al和/或Ti元素作為納米相形成元素，為避免過量Ti會促進粗大Heusler相的形成而嚴重降低材料塑性，該研究用Ta元素替代了Ti元素并結合價電子濃度準則設計了一種新穎的具有“FCC+nano-L12”結構的納米共格相強化(NiCoCr)92Al6Ta2中熵合金。更重要的是Ta不僅可以作為納米相的形成元素提高納米相的體積分數，而且其低擴散速率會大幅度降低納米相的粗化速率，從而有利于其組織穩定性并提高溫其力學性能。而且，較大原子尺寸的Ta元素誘發強烈固溶強化效應的同時，會進一步提高材料的蠕變持久壽命和抗氧化性能。

此外，鑒于納米相的顯著強化效果，研究者大多關注強化機制的納米相尺寸效應，比如當納米相尺寸較小并與基體共格時為切過機制，而當顆粒尺寸超過臨界值或非共格時為繞過機制。然而，對于納米相如何影響高熵合金的變形機制卻鮮有報道。針對上述幾個問題，該研究系統研究了1)納米共格相的強韌化效應；2)材料變形機制的納米相特征依賴性；3)納米相的粗化動力學行為，并進一步揭示了其內在機理。該研究成果日前以“A strong and ductile NiCoCr-based medium-entropy alloy strengthened by coherent nanoparticles with superb thermal-stability”為題發表在金屬材料領域權威期刊JMST上。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2022.06.012

研究結果表明：

(1) 強化機制理論計算表明納米共格相貢獻了最大的強化效果，并與其他強化機制的協同效應使合金具有高強度（YS~1.0GPa，UTS~1.5GPa）的同時依然保持較高的塑性（~20%）；

(2) 發現材料基體的變形機制呈現出一種納米顆粒特征的依賴性。具體而言，當顆粒尺寸較小、密度較高、間距較窄時，材料的變形機制以平面位錯滑移為主；而當納米顆粒尺寸較大、密度較低、間距較寬，大量層錯主導基體變形，這也導致材料較高的加工硬化能力。這種變形機制的轉變是基體層錯能差異、外加應力以及不同間距約束效應耦合作用的結果。這一發現也為通過改變納米強化相特征而調控金屬材料變形機制并進一步優化力學性能提供了一種新的思路；

(3) 擴散控制的納米顆粗化動力學行為遵循改進的LSW熟化模型。而且，含Ta元素的NiCoCr-AlTa合金中的納米顆粒呈現出超高的熱穩定性，其粗化速率比傳統鎳基高溫合金低1~3個數量級，并且顯著低于報道的不含Ta的高熵合金體系中的納米顆粒的粗化速率。所設計合金中納米顆粒的這種優異抗粗化能力源于Ta元素的關鍵雙重作用和高熵合金的遲滯擴散效應。這一結果表明該合金體系也可能在高溫服役環境下具有廣闊前景，并為設計高熱穩定性納米相強化合金提供一定的指導。