導(dǎo)讀：本文設(shè)計(jì)和制備了一種基于Co-rich CoCrNiFe的高熵合金，摻雜了一些額外的元素W、Mo、Al、Ti和Nb。通過(guò)熱機(jī)械加工在合金中形成由多尺度沉淀物、精細(xì)再結(jié)晶晶粒和具有高密度位錯(cuò)的晶粒組成的異質(zhì)微結(jié)構(gòu)。合金的屈服強(qiáng)度可以高達(dá)2.48 GPa，伸長(zhǎng)率約為3.5%。據(jù)討論，LI2-γ′沉淀物、高密度位錯(cuò)和晶界在強(qiáng)化合金方面發(fā)揮著主導(dǎo)作用。

隨著主要設(shè)備的升級(jí)，結(jié)構(gòu)材料的機(jī)械性能要求越來(lái)越高。正如最近的研究中報(bào)告的那樣，馬氏鋼或馬氏不銹鋼長(zhǎng)期以來(lái)一直是開(kāi)發(fā)的最高強(qiáng)度合金。這種合金的抗拉強(qiáng)度通常在2.0 GPa左右。最近通過(guò)激光粉末床熔融制造的瑪拉格鋼的屈服強(qiáng)度可以高達(dá)約2.4 GPa，但不幸的是，伸長(zhǎng)率僅為1%左右。因此，2.0 GPa的屈服強(qiáng)度似乎是這種合金的上限。

為了突破這一限制，建立一個(gè)新的構(gòu)圖設(shè)計(jì)策略具有重要意義。例如，最近的工作報(bào)告了一種摻雜Al和V元素的中??馕鋼，在熱機(jī)械加工后表現(xiàn)出2.21 GPa的超高屈服強(qiáng)度，伸長(zhǎng)率為15%。在另一個(gè)方面，使用多種主元素和附加元素來(lái)形成高熵合金（HEA）的設(shè)計(jì)應(yīng)該是一個(gè)非常有前途的途徑。

HEAs因其高性能，如高溫下的高強(qiáng)度、高耐磨性和高點(diǎn)蝕性，因此對(duì)潛在應(yīng)用的極大關(guān)注。面心立方（FCC）結(jié)構(gòu)HEA通常表現(xiàn)出有希望的強(qiáng)度-延展性協(xié)同作用，特別是CoCrNiFe和CoCrNi基合金，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)2.0 GPa，加上優(yōu)異的均勻伸長(zhǎng)率。然而，進(jìn)一步提高目前強(qiáng)度更高的CoCrFeNi和CoCrNi基合金的性能仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。這些合金的先進(jìn)特性歸功于它們獨(dú)特的異質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)。在異質(zhì)微結(jié)構(gòu)中，沉淀階段在硬化用各種附加元素?fù)诫s的FCC結(jié)構(gòu)HEA方面發(fā)揮著重要作用。

代表性的附加元素包括Al、Ti、Mo和Nb。元素Al、Ti和Mo通常促進(jìn)相干納米LI2-γ'相和拓?fù)涿荛]合相（TCP）的形成。TCP是鋼材中的有害階段，但它有利于通過(guò)在軟基質(zhì)中形成離散的亞微米沉淀物來(lái)增強(qiáng)HEA。元素Nb可以促進(jìn)γ′、γ′′和ε相的形成，特別是通過(guò)在納米尺度范圍內(nèi)的溶質(zhì)分割促進(jìn)連續(xù)γ?沉淀。上述合金元素在加強(qiáng)HEAs方面發(fā)揮著積極作用。

因此，使用這些附加元素設(shè)計(jì)的HEAs容易表現(xiàn)出不同相位的多尺度沉淀顆粒。結(jié)合熱機(jī)械加工，應(yīng)形成異質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)，以有效強(qiáng)化合金。在我們之前的研究中，富含氮的基于Ni2FeCoCr的HEA摻雜了附加元素Al、Ti、W、Mo和Nb，通過(guò)熱機(jī)械加工獲得了卓越的強(qiáng)度-延展性協(xié)同作用，盡管屈服強(qiáng)度有限。考慮到合金可以有效避免在熱機(jī)械加工過(guò)程中形成片狀馬氏體，并帶來(lái)延展性的巨大提高，在目前的工作中。

東北大學(xué)設(shè)計(jì)了一種共富的CoCrNiFe基HEA，并通過(guò)熱機(jī)械加工構(gòu)建了異質(zhì)微結(jié)構(gòu)，以極大地增強(qiáng)合金的強(qiáng)度-延展性協(xié)同作用。相關(guān)研究成果以“Super-high strength of a CoCrNiFe based high entropy alloy”發(fā)表在頂刊Journal of Materials Science & Technology上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S100503022300779X

圖1.SEM-EBSD-EDS表征和鑄件和均質(zhì)合金的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線：（a）SEM圖；（b）帶有晶粒尺寸直方圖的EBSD方向圖；（c）穿過(guò)矩陣和（a）平方區(qū)域沉淀物之間界面的EDS線掃描剖面；（d）帶有斷裂形態(tài)圖所示的工程拉伸應(yīng)力應(yīng)力曲線。

圖2.在SEM-EBSD和TEM下表征的微觀結(jié)構(gòu)：（a）CR合金；（b）CRA合金；（c）CRAA合金。

圖3.在TEM下表征的CRAA合金的微觀結(jié)構(gòu)：（a）BF圖像；（b）由FFT倒數(shù)晶格制成的IFFT圖像對(duì)應(yīng)于（a）中的平方面積；（c）IFFT圖像由一個(gè)FFT倒數(shù)晶格點(diǎn)制成；（d）對(duì)應(yīng)于（b）的彈性應(yīng)變圖。

圖4.（a）CRAA和CRA合金的工程拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（b）包括當(dāng)前合金在內(nèi)的各種先進(jìn)HEA的屈服強(qiáng)度-均勻伸長(zhǎng)率比較圖；（c）相應(yīng)XRD模式的βcosθ和4sinθ參數(shù)之間的擬合線；（d）各種強(qiáng)化機(jī)制貢獻(xiàn)示意圖。

總之，目前基于CoCrNiFe的HEA摻雜了W、Mo、Al、Ti和Nb附加元素，通過(guò)熱機(jī)械加工可以達(dá)到2.48 GPa的超高強(qiáng)度，伸長(zhǎng)率約為3.5%。這一結(jié)果得益于由多尺度沉淀物、精細(xì)再結(jié)晶晶粒和帶HDD的回收晶粒組成的異質(zhì)微結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，基于CoCrNiFe的HEAs擁有巨大的開(kāi)發(fā)空間，以滿足對(duì)高性能結(jié)構(gòu)材料日益增長(zhǎng)的需求。