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大連理工大學(xué)《Acta Materialia》：新型輕質(zhì)、超高強(qiáng)和高熱穩(wěn)定性共晶高熵合金！

2023-03-16 16:15:23 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

導(dǎo)讀：共晶高熵合金(EHEAs)結(jié)合了HEAs和共晶合金的優(yōu)點(diǎn)，在高溫應(yīng)用中具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，目前開發(fā)的EHEAs仍然表現(xiàn)出高密度和低高溫強(qiáng)度，這限制了它們的使用。本文提出了一種設(shè)計(jì)輕質(zhì)、堅(jiān)固、高熱穩(wěn)定性EHEAs的策略，通過引入含有高含量低密度元素的極其穩(wěn)定的heusler型有序相(L21相)，并構(gòu)建低晶格失配共晶相界面，從而產(chǎn)生超細(xì)穩(wěn)定的層狀結(jié)構(gòu)和高密度相干納米沉淀物。作為該策略的表現(xiàn)，設(shè)計(jì)了一種新型體Al₁₇Ni₃₄Ti₁₇V₃₂ EHEA，由L21和體心立方(BCC)相組成(層間間距約320 nm)，晶格錯配率僅為2.4%。該合金在之前報(bào)道的所有EHEA中具有最低的密度(約6.2 g/cm3)，并且表現(xiàn)出比大多數(shù)報(bào)道的難熔HEA (RHEAs)、輕質(zhì)HEA (LWHEAs)、EHEA和傳統(tǒng)高溫合金更高的高溫硬度和比屈服強(qiáng)度。這項(xiàng)工作為開發(fā)具有優(yōu)異高溫性能的輕型EHEAs鋪平了道路。

化石能源和航空航天目前正朝著更長的續(xù)航時間、更低的能源消耗和更低的碳排放的方向努力。傳統(tǒng)的鎳基高溫合金已經(jīng)為這些關(guān)鍵行業(yè)服務(wù)了幾十年，但它們已經(jīng)逐漸達(dá)到了使用溫度的極限，而且價(jià)格昂貴，密度高。人們開發(fā)了成本優(yōu)勢明顯、密度相對較低的新型鐵基高溫合金，試圖取代或部分取代鎳基高溫合金，但仍存在高溫強(qiáng)度低、輕量化不足等缺點(diǎn)。因此，在下一代航空發(fā)動機(jī)和燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)中，迫切需要更輕、更強(qiáng)、更熱穩(wěn)定的新型高溫結(jié)構(gòu)材料，以獲得進(jìn)一步的效率收益和環(huán)境友好性。

共晶高熵合金(EHEAs)作為HEAs的一個亞類，可以結(jié)合HEAs和共晶合金的優(yōu)點(diǎn)，是高溫應(yīng)用的優(yōu)秀候選材料。到目前為止，已經(jīng)開發(fā)了幾十種不同的EHEA體系，根據(jù)共晶相的結(jié)構(gòu)大致可分為兩類。第一類由面心立方(FCC)相和B2相組成，如AlCoCrFeNi_2.1、Al₁₉Fe₂₀Co₂₀Ni₄₁、CrFeNi_2.2Al_0.8、Ni₃₀Co₃₀Cr₁₀Fe₁₀Al₁₈W₂、Al_19.3Co₁₅Cr₁₅Ni_50.7、Fe_28.2Ni_18.8Mn_32.9Al_14.1Cr₆、Al₁₇Co_28.6Cr_14.3Fe_14.3Ni_25.8、Al_17.4Co_21.7Cr_21.7Ni_39.2。這種類型的EHEA通常在室溫下具有優(yōu)異的強(qiáng)度-延性組合，但由于FCC相強(qiáng)度較低，B2相在高溫下抗蠕變性能較差，其高溫力學(xué)性能較差。第二種是FCC相和常見的金屬間化合物(IMCs)，如CoCrFeNiNb_0.45、CoCrFeNiMnPd_x、V₁₀Cr₁₅Mn₅Co₁₀Ni₂₅Fe_25.3Nb_9.7、CoFeNi_1.4VMo、Co₂Mo_0.8Ni₂VW_0.8、Zr_0.6CoCrFeNi_2.0、Hf_0.55CoCrFeNi_2.0、CoCrFeNiTa_0.4、CrFeNi_1.85V_0.64Ta_0.36。這類EHEAs由于對具有多種類型、各種復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的硬IMC具有強(qiáng)化作用，通常具有較高的強(qiáng)度。然而，最穩(wěn)定的多型還不清楚，隨著溫度和/或外加應(yīng)力的變化，這些IMCs可能發(fā)生相變。此外，它們的晶體結(jié)構(gòu)與FCC相有很大的不同，這表明它們很難形成低錯配的相干/半相干共晶相界面，同時具有較高的界面結(jié)合強(qiáng)度。上述問題和其他問題將給EHEA的組織和性能控制帶來相當(dāng)大的困難。特別是，目前報(bào)道的EHEA表現(xiàn)出相對較高的密度，幾乎都大于7.0 g/cm3。因此，目前的EHEA還不能滿足高溫應(yīng)用的要求。

我們最近的初步工作首次在Al-Cr-Ti-Ni體系中發(fā)現(xiàn)了潛在的體心立方(BCC) - Heusler (L21)雙相EHEA，具有相似的晶體結(jié)構(gòu)和低晶格錯配(約1.90%)，具有均勻的超細(xì)層狀結(jié)構(gòu)(層間間距約400 nm)，具有低密度(約6.4 g/cm3)，優(yōu)越的高溫力學(xué)性能和出色的熱穩(wěn)定性。

在前期工作的激勵下，我們提出了一種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)策略，通過引入一種極其穩(wěn)定的heusler型有序相，其中包含高含量的低密度元素，并構(gòu)建低晶格失配共晶相界面，來開發(fā)輕質(zhì)、超高強(qiáng)度、高熱穩(wěn)定的EHEAs(詳細(xì)設(shè)計(jì)策略請參閱補(bǔ)充材料)。為了驗(yàn)證該策略的有效性，設(shè)計(jì)了由富ni - al - ti相L21和富v相BCC相組成的新型Al-Ni-Ti-V體系EHEA(即Al₁₇Ni₃₄Ti₁₇V₃₂)。在目前報(bào)道的EHEA和超細(xì)層狀結(jié)構(gòu)(層間間隔約320 nm)中，這種EHEA具有最低的密度(約6.2 g/cm3)，與大多數(shù)報(bào)道的耐火HEA (RHEAs)、輕質(zhì)HEA (LWHEAs)、EHEA和傳統(tǒng)的Ni / ti基合金相比，表現(xiàn)出出色的熱穩(wěn)定性和優(yōu)越的高溫力學(xué)性能。通過實(shí)驗(yàn)研究和理論分析，包括透射電鏡(TEM)和三維原子探針斷層掃描(3DAPT)表征、高溫硬度和壓縮測試、從頭算分子動力學(xué)(AIMD)模擬、密度泛函理論(DFT)計(jì)算和計(jì)算相圖(CALPHAD)預(yù)測，揭示了其固有的熱穩(wěn)定性和強(qiáng)化機(jī)制。目前的工作為開發(fā)適用于高溫應(yīng)用的高性能輕量化EHEA提供了有價(jià)值的見解。

大連理工大學(xué)盧一平教授團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究成果以題為Lightweight, ultrastrong and high thermal-stable eutectic high-entropy alloys for elevated-temperature applications發(fā)表在國際期刊Acta Materialia上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645423001374

圖1

Al17Ni34Ti17V32合金的相和組織信息。(a-b)鑄態(tài)和退火態(tài)合金的背散射電子(BSE)圖像。(c)鑄態(tài)和退火態(tài)合金的XRD譜圖。插圖顯示鑄態(tài)合金的EBSD相圖。(d-e)鑄態(tài)合金和退火態(tài)合金的統(tǒng)計(jì)層狀寬度分布。

圖2

Al₁₇Ni₃₄Ti₁₇V₃₂合金的透射電鏡表征(a-b)共晶L21和BCC相沿兩個不同區(qū)域軸([001]和[011])的SAED圖。(c)鑄態(tài)合金的高爐透射電鏡圖像，顯示BCC相中有高密度的納米沉淀物。(d)從(d)插圖中黃色圈出的{111}超晶格點(diǎn)獲得的鑄態(tài)合金BCC相的DF TEM圖像。插圖顯示了BCC相的[011]區(qū)軸的SAED模式。(e)鑄態(tài)合金的HRTEM圖像，顯示L21沉淀嵌入BCC基體內(nèi)。左上插圖展示了FFT中BCC矩陣的電子衍射圖(EDP);右下插圖顯示了FFT中L21沉淀物的EDP。(f)鑄態(tài)合金的高爐透射電鏡圖像，顯示共晶L21相內(nèi)析出相的分布。(g) HRTEM圖像顯示嵌在L21基質(zhì)內(nèi)的BCC沉淀。左上方的插圖顯示了FFT中L21矩陣的EDP;右上方插圖為FFT對BCC析出物的EDP;右下插圖為BCC沉淀/L21矩陣界面的HRTEM放大圖像。(h)鑄態(tài)合金HRTEM圖像，顯示L21/BCC的共晶相界面。上面和下面的插圖分別顯示共晶L21和BCC相的edp。(i)來自反FFT的放大hrtem圖像，顯示(h)中的界面區(qū)域。

圖3

共晶BCC相的APT表征。(a)包含各種元素的三維重建離子圖。(b)從(a)中L21沉淀中捕獲的離子圖的3d重建，顯示Al, Ni和Ti原子團(tuán)簇。(c) L21沉淀相/BCC基體界面的一維組成剖面。(d) L21納米沉淀物的統(tǒng)計(jì)尺寸分布。

圖4

共晶L21相的APT表征。(a)各種元素的3d重建離子圖，包括共晶L21相和一小部分BCC相。(b) BCC/L21共晶相界面的一維組成剖面。(c)從(a)中的BCC納米沉淀物中捕獲的離子圖的3d重建，顯示了V原子團(tuán)簇。(d) BCC析出相/L21基體界面的一維組成剖面。(e) BCC納米沉淀物的統(tǒng)計(jì)尺寸分布。

圖5

鑄態(tài)Al₁₇Ni₃₄Ti₁₇V₃₂合金高溫力學(xué)性能研究(a-b)與其他代表性合金相比，該合金的硬度和比硬度與測試溫度的關(guān)系。(c)不同溫度下的壓縮工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(d) SYS作為該合金與其他代表性合金比較測試溫度的函數(shù)。(e-f)該合金與其他代表性合金的屈服強(qiáng)度和SYS隨同源溫度(T/Tm)的函數(shù)關(guān)系。

圖6

Al₁₇Ni₃₄Ti₁₇V₃₂合金的第一性原理計(jì)算。(a)在T = 3000 k時AIMD模擬的部分pdf (b) AIMD模擬期間原子結(jié)構(gòu)的快照。(c)各元素MSD隨時間變化的計(jì)算結(jié)果，圖中為T = 3000 k時預(yù)測的各元素?cái)U(kuò)散常數(shù)。(d) dft通過用V代替Ni₂AlTi型L21相中的Ni、Al和Ti預(yù)測的生成能。

綜上所述，我們提出了一種有效和通用的設(shè)計(jì)策略，通過引入低密度含元素heusler型(L21)相和構(gòu)建低晶格失配共晶相界面，開發(fā)輕質(zhì)、超強(qiáng)、高熱穩(wěn)定的EHEAs。基于這一新策略，我們成功地設(shè)計(jì)了一種新型的Al₁₇Ni₃₄Ti₁₇V₃₂ EHEA，具有均勻的超細(xì)層狀結(jié)構(gòu)(層間間距約320 nm)，并且是之前報(bào)道的所有EHEA中密度最低的之一(約6.2 g/cm3)。這種大塊EHEA具有特殊的尺寸和微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并且比大多數(shù)報(bào)道的RHEAs, LWHEAs, EHEA和傳統(tǒng)高溫合金具有更高的高溫硬度和SYSs。AIMD模擬、DFT計(jì)算和CALPHAD預(yù)測進(jìn)一步證實(shí)了Al₁₇Ni₃₄Ti₁₇V₃₂ EHEA的熱穩(wěn)定性。EHEA之所以具有優(yōu)異的高溫性能，主要是由于低晶格錯配所產(chǎn)生的超細(xì)和熱穩(wěn)定共晶結(jié)構(gòu)、極其穩(wěn)定的L21結(jié)構(gòu)，以及由于預(yù)先存在的共晶相界面位錯網(wǎng)絡(luò)和納米沉淀物的阻礙而產(chǎn)生的低位錯遷移率。

總體而言，目前由L21和BCC結(jié)構(gòu)組成的輕質(zhì)EHEA系統(tǒng)是受壓縮載荷影響的高溫應(yīng)用的有前途的候選。

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