香港理工大學：通過雙析出實現(xiàn)高熵合金的超高強度和延展性！
2023-07-10 13:57:36
作者：材料學網(wǎng) 來源：材料學網(wǎng)
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導讀：在金屬材料中，強度與延展性的平衡一直是一個長期存在的難題。本文介紹了一種新的方法，通過雙重沉淀來實現(xiàn)高強度-延展性協(xié)同作用。以(Ni2Co2FeCr) 96-xAl4Nbx (at.%)合金為研究對象，研究了納米級L12顆粒和Laves相強化合金的微觀組織和力學性能。分析表明，納米級L12相通過顆粒剪切機制增強了材料的強度，而Laves相通過Orowan旁路機制增強了材料的強度。變形顯微組織研究表明，L12析出相被層錯剪切，有利于位錯在基體中長距離滑動。變形導致層狀堆積故障網(wǎng)絡和固定的lomo - cottrell鎖的形成，有效地提高了加工硬化能力和塑性穩(wěn)定性，從而在高強度水平下獲得高延性。位錯在Laves析出相與基體的界面處堆積，增加了塑性變形初期的加工硬化能力，但引起應力集中。復合析出策略在許多其他合金在技術應用中發(fā)揮作用，幫助其獲得優(yōu)異的機械性能。先進結構材料不斷創(chuàng)新，對推動社會的技術進步和可持續(xù)發(fā)展至關重要，各種工業(yè)應用都需要具有高強度和高延展性的材料。然而，提高材料的強度通常會導致延性的降低，這被稱為強度-延性平衡。近年來，高熵合金(high-entropy alloy, HEA)設計以其獨特的微觀結構受到越來越多的關注，為實現(xiàn)優(yōu)異的力學性能提供了新的可能。面心立方(FCC) HEAs由于在常溫和低溫下都具有優(yōu)異的韌性和延展性而引起了廣泛的科學興趣。然而，單相催化裂化結構通常導致屈服強度低，這對于許多實際應用來說是不夠的。因此，人們通過固溶強化、晶粒細化、應變硬化和析出強化等多種強化方法來提高FCC HEAs的強度。在室溫和高溫條件下，沉淀強化是一種有效的強化HEAs的方法。其制造可以通過傳統(tǒng)的時效處理來完成，而不需要復雜的工藝。此外，Laves相是位錯運動的強大屏障，它可以在變形的早期階段提供高的加工硬化速率，有可能避免呂德帶的形成。需要指出的是，雖然旁相可以顯著提高HEAs的屈服強度，但由于硬相的脆性，過量的旁相會導致延性的顯著降低。鑒于剪切析出相和旁路析出相的優(yōu)點和局限性，設計兩種析出相的雙重析出的高級HEAs是一個有趣的研究方向。希望最大限度地發(fā)揮兩者的優(yōu)勢。需要指出的是，雖然旁相可以顯著提高HEAs的屈服強度，但由于硬相的脆性，過量的旁相會導致延性的顯著降低。鑒于剪切析出相和旁路析出相的優(yōu)點和局限性，設計兩種析出相的雙重析出的高級HEAs是一個不錯的研究方向。希望將兩種析出物的優(yōu)點最大化，缺點最小化，從而獲得優(yōu)異的力學性能。本研究的目的不是用Laves強化取代L12強化，而是將兩種強化機制結合在一起以實現(xiàn)平衡性能。值得指出的是，多組分HEAs中的雙析出過程是非常復雜的，它涉及到復雜的元素分配和溶質(zhì)相互作用。目前，對雙析出強化HEAs的析出和力學行為缺乏系統(tǒng)的研究。香港理工大學焦增寶教授團隊定量地了解HEAs的復合析出行為，并將其析出相組織與體力學性能聯(lián)系起來。以L12相和Laves相雙析出強化的(Ni2 Co2 FeCr)96 - x Al4 Nbx合金為研究對象，對其析出相組織、力學性能、通過三維原子探針斷層掃描(3D- apt)、透射電子顯微鏡(TEM)、第一性原理計算和力學測試，對其變形行為進行了徹底的研究。特別關注了控制雙沉淀強化HEAs的沉淀、強化和變形的潛在機制。相關研究以“?Achieving ultrahigh strength and ductility in high-entropy alloys via dual precipitation”為題發(fā)表在Journal of Materials Science & Technology上。
鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1005030223004966
圖 1（a）顯示擬議印刷系統(tǒng)的示意圖;（b） 潛在應用。
圖2所示。在700℃下，3Nb、4Nb、5Nb、6Nb和7Nb合金的維氏顯微硬度隨時效時間的變化。
圖3所示。3Nb、4Nb、5Nb、6Nb、7Nb合金在700℃時效24h后的拉伸工程應力-應變曲線
圖 4所示。5Nb合金與不同類型析出強化HEAs的屈折強度與總伸長率的比較
圖 5 5Nb合金700℃時效24 h后的顯微組織:(a) SEM圖，(b)高倍SEM圖，(C)暗場TEM圖，(d) SAED圖，(e) XRD圖，(f)插片亮對比區(qū)域的EDS譜圖，(g)和(h)分別為EBSD IPF圖和相圖。(e)的插入是(311)衍射峰的反褶積。
圖 6 5Nb合金在700℃時效24 h后的APT表征:(a)原子圖和(b)接近直方圖濃度分布圖。(b)的插圖是使用杠桿法則計算L12相的體積分數(shù)。
圖7所示。第一性原理計算:(a)超級單體模型，(b)計算形成的能量圖，(c) FCC和L12晶格中含Nb結構的ELF圖。
圖8 第一性原理計算:(a)超級單體模型，(b)計算形成能，(c) FCC和L12晶格中含Nb結構的ELF圖。
圖9計算了5Nb HEA在24h時效條件下的固溶強化、晶界強化、L12和Laves相析出強化和總屈折強度的貢獻。紅點表示合金的實驗屈折強度。綜上所述，通過L12相和Laves相通過雙析，制備出了一類具有高強度-塑性協(xié)同作用的新型HEAs，并且本文對合金的析出相組織、力學性能和變形行為進行了深入研究。得出以下結論。（1）第一性原理計算表明，Nb優(yōu)先分配到L12納米顆粒上，增強了L12相的穩(wěn)定性。（2）L12納米顆粒和Laves相雙析出強化5Nb合金的屈服強度超過1400 MPa，極限抗拉強度超過1800 MPa，均勻伸長率達到18%，實現(xiàn)了高強度和延性的良好結合。強化模型表明，L12析出強化對5Nb合金屈服強度的提高起主要作用，L12析出強化、Laves強化、晶界強化和固溶強化共同作用使5Nb合金屈折強度達到1400 MPa以上。(3) 5Nb合金具有良好的延展性是由于其高了其硬化能力。(4) L12析出相被剪切，有利于位錯在基體中長距離滑動。另一方面，位錯堆積在Laves析出相和基體之間的界面上，這增加了塑性變形早期的加工硬化能力，但導致應力集中。
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