導(dǎo)讀：作為一類(lèi)新興材料，具有優(yōu)異熱性能和機(jī)械性能的化學(xué)復(fù)雜金屬間合金（CCIMA）是高溫結(jié)構(gòu)用途的有前途的候選者。然而，這些CCIMA在中間溫度（600 800 °C）下經(jīng)常出現(xiàn)嚴(yán)重的晶間脆化，阻礙了其大規(guī)模工程應(yīng)用。在這項(xiàng)研究中，通過(guò)刻意定制熱機(jī)械加工，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種層狀結(jié)構(gòu)（LS）L12型Co-Ni-Al-Ti-Ta-Nb-B基CCIMA，有效地克服了這一關(guān)鍵問(wèn)題。LS-CCIMA在室溫下表現(xiàn)出約1.0 GPa的優(yōu)異屈服強(qiáng)度（YS），拉伸伸長(zhǎng)率約為17%。更突出的是，它還具有 1.2 GPa的異常YS，在600至800°C的中間溫度下可接受的拉伸伸長(zhǎng)率為 10%，優(yōu)于許多其他簡(jiǎn)單的有序金屬間化合物和傳統(tǒng)高溫合金。這種極好的即時(shí)溫度強(qiáng)度主要源于添加多種合金元素（Ti，Ta和Nb）引起的高反相邊界能量以及幾何上必要的位錯(cuò)堆積。此外，我們將可接受的拉伸塑性歸因于各種變形誘導(dǎo)的子結(jié)構(gòu)（例如，600 °C下的位錯(cuò)對(duì)和800 °C下的超晶格固有堆積斷層）激活引起的塑性變形能力增加，以及層狀結(jié)構(gòu)對(duì)氧誘導(dǎo)的晶界損傷和微裂紋擴(kuò)展的抑制機(jī)制。這項(xiàng)工作為強(qiáng)而延展的耐熱CCIMAs的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了新的途徑。

與通常具有無(wú)序原子結(jié)構(gòu)的金屬材料不同，具有有序原子結(jié)構(gòu)的金屬間（或超晶格）合金作為一類(lèi)獨(dú)特的金屬結(jié)構(gòu)材料，由于其許多有前途的功能，熱和機(jī)械性能而受到顯著關(guān)注。這些有趣的特性主要來(lái)自固有的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，如長(zhǎng)程有序、強(qiáng)原子鍵和位點(diǎn)隔離效應(yīng)。特別令人感興趣的是，這種金屬間合金表現(xiàn)出異常屈服行為;也就是說(shuō)，屈服強(qiáng)度（YS）在一定溫度范圍內(nèi)隨著溫度的升高而增加。人們已經(jīng)接受，這種不尋常的屈服現(xiàn)象主要起源于Kear-Wilsdorf（K-W）鎖的形成。因此，金屬間合金有望在航空航天、航空、核電、化學(xué)加工等高溫結(jié)構(gòu)應(yīng)用中顯示出巨大的潛力。

然而，鑒于滑移體系數(shù)量不足和/或晶界（GBs）的內(nèi)聚強(qiáng)度低，多晶態(tài)金屬間合金在室溫下張緊時(shí)通常承受?chē)?yán)重的晶間脆化。此外，在中間溫度（例如，600 800 °C）下也經(jīng)常觀察到中間溫度（例如，600 800 °C）的晶間過(guò)早失效，這是由于環(huán)境輔助的GB損傷以及應(yīng)力誘導(dǎo)的GB裂紋的快速萌生和擴(kuò)展。在過(guò)去的幾十年中，已經(jīng)提出了許多延展策略來(lái)解決室溫脆化問(wèn)題。人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，非化學(xué)計(jì)量設(shè)計(jì)對(duì)于提高其拉伸塑性是有效的。例如，高杉等人 報(bào)道稱(chēng)，與嚴(yán)格化學(xué)計(jì)量的 Co3Ti (A:B = 3:1) 相比，非化學(xué)計(jì)量的 Co3Ti (A:B = 4:1, Co80Ti20, at.%) 超晶格表現(xiàn)出 61% 的出色拉伸伸長(zhǎng)率具有明顯的脆性。此外，間隙硼原子的添加也被用來(lái)有效抑制晶間斷裂，間隙硼原子傾向于在GBs處偏析并進(jìn)一步增強(qiáng)其內(nèi)聚強(qiáng)度。然而，到目前為止，如何解決它們的中溫晶間脆化仍然是一個(gè)懸而未決的問(wèn)題。另外，應(yīng)該提到的是，以前的研究主要集中在化學(xué)簡(jiǎn)單的體系，包括 Ni3Al、Ni3Si、NiAl 和 TiAl 合金 ，這些合金顯示出有限的 YS。這兩個(gè)面臨巨大挑戰(zhàn)的關(guān)鍵問(wèn)題極大地限制了它們的實(shí)際可用性。

最近，化學(xué)復(fù)雜的金屬間合金（CCIMAs）為先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了新的機(jī)會(huì)。得益于長(zhǎng)期有序結(jié)構(gòu)和多種合金元素的罕見(jiàn)協(xié)同效應(yīng)，新興的CCIMA表現(xiàn)出許多有吸引力的熱和機(jī)械性能。通常，這些有序合金的高強(qiáng)度在很大程度上取決于高反相邊界（APB）能量。有人認(rèn)為，成分復(fù)雜的亞晶格占據(jù)可以顯著改變這些CCIMA的電子結(jié)構(gòu)，從而調(diào)節(jié)其APB能量。大量的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究表明，添加Ti，Ta和Nb元素可以顯著增加Ni3Al合金的APB能量并產(chǎn)生顯著的強(qiáng)化效果。如前所述，通過(guò)在Ni3Al中加入合金元素，在環(huán)境溫度下，由于Ti添加導(dǎo)致APB能量增加，在環(huán)境溫度下，Ni-Co-Fe-Al-Ti-B基CCIMA獲得了 1.0 GPa的超高YS。盡管CCIMA系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了很高的室溫強(qiáng)度，但在中間溫度下測(cè)試時(shí)，這種不希望的過(guò)早晶間斷裂仍然是不可避免的，阻礙了其進(jìn)一步的實(shí)際工程應(yīng)用。

對(duì)于大多數(shù)多晶材料，調(diào)節(jié)GB字符已被接受為消除晶間脆化的有效方法。例如，有研究人員報(bào)告說(shuō)，在L12強(qiáng)化高熵合金（HEA）中引入由變形和再結(jié)晶晶粒組成的非均質(zhì)柱狀晶粒結(jié)構(gòu)有效地克服了嚴(yán)重的晶間脆化，導(dǎo)致拉伸伸長(zhǎng)率約為18.4%，在800°C時(shí)具有 652MPa的高YS。同樣，也有研究人員還證明了YS（486±28MPa）和拉伸伸長(zhǎng)率（11.6±2.0%）在800°C下通過(guò)引入分層纖維狀結(jié)構(gòu)在增材制造的沉淀物增強(qiáng)HEA中的卓越協(xié)同作用。然而，迄今為止，異質(zhì)結(jié)構(gòu)智慧在克服新興CCIMA的中溫晶間脆化問(wèn)題的可行性尚未得到很好的探索。此外，從未報(bào)告過(guò)對(duì)CCIMA系統(tǒng)相關(guān)熱和機(jī)械響應(yīng)的影響。

沿著這一思路，在本研究中，通過(guò)特意定制熱機(jī)械加工（TMP），香港城市大學(xué)楊濤團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)了具有層狀晶粒結(jié)構(gòu)的L12型Co-Ni-Al-Ti-Ta-Nb-B基CCIMA。LS-CCIMA 在室溫下表現(xiàn)出  1.0 GPa YS 和  17% 拉伸伸長(zhǎng)率的卓越組合。更重要的是，它還表現(xiàn)出 1.2 GPa 的超高 YS，在 600 至 800 °C 的中間溫度范圍內(nèi)具有  10% 的良好拉伸伸長(zhǎng)率。仔細(xì)研究了相關(guān)的變形子結(jié)構(gòu)、加固和斷裂機(jī)理。這些發(fā)現(xiàn)不僅有助于提高對(duì)CCIMAs晶間脆化行為的理解，而且指導(dǎo)了許多先進(jìn)金屬材料在高溫結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的高效設(shè)計(jì)。

相關(guān)研究成果以題“Ultrahigh intermediate-temperature strength and good tensile plasticity in chemically complex intermetallic alloys via lamellar architectures”發(fā)表在國(guó)際期刊Acta Materials上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645423007887                        

圖1 EG-CCIMA的微觀結(jié)構(gòu)。（a）和（b）反極圖（IPF）圖和彩色圖例的插圖。（c） 相位圖。（d） 智商圖。（e） 顯示典型等軸晶粒的高爐透射電鏡顯微照片。（f）SAED圖沿[110]區(qū)軸取，確認(rèn)有序的L12型晶體結(jié)構(gòu)（Z.A.表示為區(qū)軸）。

圖2 LS-CCIMA的基本微觀結(jié)構(gòu)。（a） 高溫拉伸試樣示意圖和EBSD觀測(cè)結(jié)果。（b） IPF圖，顯示典型的異質(zhì)層狀結(jié)構(gòu)。（c） 放大的IPF圖，顯示平均寬度為 5μm的層狀顆粒。（d） 高爐透射電鏡顯微照片，表明存在成對(duì)脫位。（e） WBDF圖像顯示L12有序晶粒內(nèi)的超晶格位錯(cuò)對(duì)，該晶粒是從g / 3g方向收集的，g = 002在[110]區(qū)域軸上。（f）識(shí)別L12型結(jié)構(gòu)，由沿[110]區(qū)軸的SAED模式支撐。

圖3 EG和LS-CCIMA的XRD圖譜顯示了有序的L12型相。

圖4 我們的CCIMA的機(jī)械性能。（a）和（b）EG和LS-CCIMA在寬溫度范圍內(nèi)（25°C 800°C）的典型工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（c） LS-CCIMA的優(yōu)越中間溫度YS。參考物質(zhì)包括簡(jiǎn)單有序合金和常規(guī)高溫合金。

圖5 （a）-（c）高分辨率TEM和FFT圖像揭示了無(wú)序的FCC納米層在GB附近形成。（d） STEM-EDS映射顯示了GB的Co隔離。（e） 整個(gè)大不列顛的相應(yīng)化學(xué)概況表明公司明顯分離。。

圖6 EG-和LS-CCIMA在中間溫度狀態(tài)下的斷裂形態(tài)。（a）-（c）顯示了EG-CCIMA在600、700和800 °C溫度下的斷裂面，表現(xiàn)出典型的晶間斷裂模式。（d）-（f）在600、700和800°C下呈現(xiàn)LS-CCIMA的斷裂面。清楚地觀察到典型的延展性制造模式。

圖7 LS-CCIMA在長(zhǎng)期熱暴露長(zhǎng)達(dá)120小時(shí)后，在800 °C下具有優(yōu)異的中間溫度性能。（a）在800 °C下暴露120 h后，LS-CCIMA顯示出 900 MPa的高YS，在800 °C時(shí)具有 8%的拉伸伸長(zhǎng)率。（b）呈現(xiàn)典型的韌性斷裂模式以及致密的凹坑。

圖8 在800°C下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)后EG-和LS-CCIMA樣品的斷裂行為。（a）斷裂的EG-CCIMA樣品的SEM圖像顯示明顯的晶間開(kāi)裂。（b） 斷裂的LS-CCIMA樣品的SEM圖像在斷裂表面的橫截面上顯示出一些小的微孔，如黃色圓圈所示。（c） 智商圖。（d） 森林小組地圖。（e） 國(guó)標(biāo)類(lèi)型的分布。（f） 顯示GBs附近局部應(yīng)力集中的KAM圖。

圖9 LS-CCIMA在中間溫度（600和800°C）下的變形子結(jié)構(gòu)。（a） LS-CCIMA在600 °C下被約10%塑性應(yīng)變變形的位錯(cuò)構(gòu)型，表明產(chǎn)生了許多位錯(cuò)對(duì)。（b）LS-CCIMA的微觀結(jié)構(gòu)在800 °C下被約10%的塑性應(yīng)變變形，表現(xiàn)出變形誘導(dǎo)的高密度SISF和SISF網(wǎng)絡(luò)。（c） 高分辨率透射電鏡圖像給出了由SISF剪切的有序L12型相位的典型示例。（d） 含有SISF的L12型相的相應(yīng)FFT圖像。

圖10 通過(guò)DFT模擬評(píng)估平面故障能量。（a） 計(jì)算出本CCIMA中APB和SISF的平面斷層能量。（b） 無(wú)缺陷L12有序超晶格（原始）、APB和SISF的結(jié)構(gòu)模型。

圖11 預(yù)測(cè) [`101] 我們開(kāi)發(fā)的CCIMA中的超晶格位錯(cuò)。還包括其他一些化學(xué)簡(jiǎn)單的L12型金屬間化合物，如Ni3Al，Ir3Nb，Co3（Al，W）和Pt3Al合金。

在這項(xiàng)工作中，通過(guò)仔細(xì)調(diào)控TMP，我們成功設(shè)計(jì)了一種具有異構(gòu)層狀結(jié)構(gòu)的L12型Co-Ni-Al-Ti-Ta-Nb-B基CCIMA。該LS-CCIMA在從室溫到中間溫度的寬溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出卓越的機(jī)械性能。具體而言，在室溫下，LS-CCIMA表現(xiàn)出約1.0 GPa的出色YS，拉伸伸長(zhǎng)率約為17%。在600 800°C的中間溫度條件下，YS為 1.2 GPa，拉伸伸長(zhǎng)率可觀，約為10%，表明存在異常屈服行為。超高的中溫強(qiáng)度主要源于高APB能量和GND的堆積。此外，可接受的拉伸塑性基本上歸因于變形誘導(dǎo)子結(jié)構(gòu)增加的塑性變形能力，以及層狀晶粒結(jié)構(gòu)對(duì)氧加速GB損傷和微裂紋擴(kuò)展的抑制機(jī)制。這一發(fā)現(xiàn)為設(shè)計(jì)用于高溫應(yīng)用的強(qiáng)而延展性的CCIMA提供了一種范例。