導(dǎo)讀：?jiǎn)蜗嗝嫘牧⒎? FCC )中熵合金在工程工業(yè)中的應(yīng)用往往受到強(qiáng)度不足的挑戰(zhàn)。本研究成功制備了一種新型非等原子比Ni40Co30Cr20Al5Ti5 MEA。通過(guò)精心設(shè)計(jì)的機(jī)械熱處理工藝，我們引入了由67.4 %的細(xì)晶和32.6 %的粗晶組成的異質(zhì)晶粒結(jié)構(gòu)。合金的超高強(qiáng)度主要?dú)w因于非均勻形變誘導(dǎo)強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化。優(yōu)異的延展性主要?dú)w因于高密度的堆垛層錯(cuò)和Lomer -科特雷爾鎖。本研究不僅有助于闡明雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)合金的強(qiáng)化和變形機(jī)制，而且為開(kāi)發(fā)具有高強(qiáng)度和高塑性的高性能合金提供了有效的策略。

近年來(lái)，為了滿足人們對(duì)先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料日益增長(zhǎng)的需求，開(kāi)發(fā)高強(qiáng)度、高韌性金屬材料具有重要意義。在這些材料中，高/中熵合金( H / MEAs )由于其優(yōu)異的綜合性能而備受關(guān)注。多組分H / MEAs不僅激發(fā)了科學(xué)前沿，而且在廣泛的組分空間中為微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的調(diào)整提供了巨大的潛力。迄今為止，具有面心立方( FCC )結(jié)構(gòu)的單相Co Cr Ni MEAs由于具有良好的室溫延展性和強(qiáng)度而成為廣泛研究的焦點(diǎn)。遺憾的是，強(qiáng)度不足嚴(yán)重阻礙了其作為功能材料的潛在應(yīng)用。因此，提高Co Cr Ni合金的強(qiáng)度成為近年來(lái)材料科學(xué)研究的一個(gè)突出領(lǐng)域。

近年來(lái)，異質(zhì)結(jié)構(gòu)( HGS )已成為研究的熱門話題，并被證明是一種有效的方法，可以在不顯著降低延展性的情況下提高強(qiáng)度。目前，多種HGS設(shè)計(jì)，包括梯度晶粒結(jié)構(gòu)、異質(zhì)層片結(jié)構(gòu)、層板結(jié)構(gòu)和諧波結(jié)構(gòu)，已被用于增強(qiáng)各種合金性能。根據(jù)Hall - Petch關(guān)系，多尺寸的晶粒結(jié)構(gòu)會(huì)引入局部多級(jí)強(qiáng)度。眾所周知，在變形過(guò)程中，軟區(qū)首先發(fā)生塑性變形，而硬區(qū)則保持彈性變形。為保證變形的連續(xù)性，在軟硬區(qū)域交界面附近產(chǎn)生幾何必需位錯(cuò)( GNDs )。GNDs的累積會(huì)產(chǎn)生非均勻變形誘導(dǎo)( HDI )應(yīng)力，導(dǎo)致背應(yīng)力強(qiáng)化和塑性失穩(wěn)的延遲。在各種HGS設(shè)計(jì)中，部分再結(jié)晶結(jié)構(gòu)已被廣泛研究。通過(guò)機(jī)械熱處理加工，未再結(jié)晶區(qū)域保持材料強(qiáng)度，再結(jié)晶區(qū)域利于變形，從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和塑性的良好結(jié)合。然而，最近的研究表明，部分再結(jié)晶結(jié)構(gòu)可能并不是設(shè)計(jì)HGS的理想選擇。這是因?yàn)樗谖丛俳Y(jié)晶區(qū)域保留了高密度位錯(cuò)，限制了位錯(cuò)進(jìn)一步傳播和存儲(chǔ)的能力，從而導(dǎo)致加工硬化能力的降低。相關(guān)研究員研究了部分再結(jié)晶HGS的變形機(jī)制，觀察到在塑性變形的初始階段，殘余變形晶粒( RDGs )中的GNDs密度顯著降低，導(dǎo)致RGDs的軟化效應(yīng)。這些發(fā)現(xiàn)表明，開(kāi)發(fā)具有完全再結(jié)晶的HGS是生產(chǎn)高強(qiáng)度MEAs的更有前途的設(shè)計(jì)策略。

沉淀強(qiáng)化被認(rèn)為是提高材料強(qiáng)度最有效的策略之一。常見(jiàn)的析出相類型包括L12、B2和Laves相。其中，高度共格的有序L12相強(qiáng)化被普遍認(rèn)為是提高FCC H / MEA強(qiáng)度的最有效強(qiáng)化相，且不會(huì)嚴(yán)重?fù)p害其塑性。通過(guò)添加微量的Al、Ti和Ta元素，可以在合金中引入有序的L12相，從而提高合金的性能。除了HGS的設(shè)計(jì)外，還可以在晶粒內(nèi)部設(shè)計(jì)各種形狀和尺寸的析出物來(lái)制造HGS。這種方法可以誘導(dǎo)晶粒內(nèi)部的不均勻變形，導(dǎo)致GNDs的形成，并引入HDI強(qiáng)化。例如，一些研究員采用簡(jiǎn)單的機(jī)械熱處理工藝在Co36Cr15Fe18Ni18Al8Ti4Mo1合金中引入了雙形貌B2相。雙形貌B2相使材料的拉伸屈服強(qiáng)度提高到1120 MPa，同時(shí)保持了19 %的延展性，超過(guò)了大多數(shù)已報(bào)道合金的性能。

單純?cè)O(shè)計(jì)HGS或單獨(dú)引入異質(zhì)析出相均不足以有效強(qiáng)化合金。

受上述分析的啟發(fā)，燕山大學(xué)亞穩(wěn)態(tài)材料科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室相關(guān)研究員展開(kāi)了深入研究，其目標(biāo)通過(guò)實(shí)施雙重異質(zhì)結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)具有良好強(qiáng)度和延展性組合的MEA。研究者選用Ni40Co30Cr20Al5Ti5合金，通過(guò)組織觀察發(fā)現(xiàn)鑄態(tài)合金中存在L12相。通過(guò)對(duì)機(jī)械熱處理工藝的改進(jìn)，對(duì)含L12相的合金進(jìn)行了冷軋和熱處理。這一過(guò)程由于晶粒尺寸的差異和晶內(nèi)析出物顆粒的不同導(dǎo)致了雙重異質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成。系統(tǒng)地研究了合金的微觀組織，并分析了其中涉及的強(qiáng)化和變形機(jī)制。這些發(fā)現(xiàn)為高性能合金的設(shè)計(jì)提供了有價(jià)值的見(jiàn)解。相關(guān)研究成果以題為Double heterogeneous structures induced excellent strength-ductility synergy in Ni40Co30Cr20Al5Ti5 medium-entropy alloy發(fā)表在Journal of Materials Science & Technology上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030223008897

圖1 目前Ni40Co30Cr20Al5i5合金的制備路線示意圖。黑色曲線代表冷軋前均勻化的試樣( H1000 )。紅色曲線代表冷軋前未均勻化的試樣( D1000 )。

圖2 Ni40Co30Cr20Al5Ti5 MEAs的物相組成。( a )不同狀態(tài)MEA的XRD圖譜。衍射花樣顯示FCC和L12相共存。( b ) ( 311 )衍射峰的去卷積，用于確定D1000合金中FCC和L12的晶格常數(shù)。

圖3 D1000合金的顯微組織。( a )代表性Sem圖像。( b ) IPF和( c )全區(qū)粒度分布。( D ) CG區(qū)和FG區(qū)的分布。紫色區(qū)域?yàn)镃G區(qū)域。( E ) Kam圖。( f )整個(gè)區(qū)域的局部取向差。D1000合金呈現(xiàn)出32.6 %的粗晶和67.4 %的細(xì)晶的不均勻分布。

圖4 H1000合金的EBSD結(jié)果。( a ) Ipf圖。( b )全區(qū)粒度分布。( c ) Kam圖。( d )整個(gè)區(qū)域的局部取向差。H1000合金呈現(xiàn)均勻分布的等軸晶，平均尺寸為10.79 μ m，隨機(jī)取向。

圖5 D1000合金的TEM結(jié)果。( a )亮場(chǎng)( BF )圖像顯示晶粒內(nèi)的CGs，F(xiàn)Gs和亞微米析出物。沿[ 013 ]方向拍攝的( b , c)暗場(chǎng)( DF )圖像和相應(yīng)的選區(qū)電子衍射( SAED )顯示出L12型亞微米析出相。沿區(qū)域軸拍攝的( d , e) DF圖像和相應(yīng)的SAED顯示了L12型納米析出相。( f , g)各區(qū)域亞微米級(jí)析出物和納米級(jí)析出物的粒徑分布。

圖6 H1000合金的TEM結(jié)果。( a )明場(chǎng)( BF )圖像顯示均勻的晶粒和微量的亞微米析出物。沿[ 001 ]方向拍攝的( b , c)暗場(chǎng)( Dark Field，DF )圖像和相應(yīng)的選區(qū)電子衍射( SAED )顯示L12型亞微米析出相。沿[ 011 ]區(qū)域軸拍攝的( d , e) DF圖像和相應(yīng)的SAED顯示L12型納米析出相。( f , g)各區(qū)域亞微米級(jí)析出物和納米級(jí)析出物的粒徑分布。

圖7 D1000合金中L12析出相的相結(jié)構(gòu)和元素分布。( a )顯示析出相的HRTEM圖像和相應(yīng)的FFT圖像。黃色方框表示L12相的FFT，紅色方框表示FCC基體的FFT。( b )顯示FCC / L12相干界面的藍(lán)色方框IFFT。( c ) L12析出相對(duì)應(yīng)的TEM - EDS圖譜。

圖8 H1000合金中L12析出相的相結(jié)構(gòu)和元素分布。( a ) HRTEM圖像和相應(yīng)的FFT圖像。黃色方框表示L12相的FFT，紅色方框表示FCC基體的FFT。( b )顯示FCC / L12相干界面的藍(lán)色方框IFFT。( c ) L12析出相對(duì)應(yīng)的TEM - EDS圖譜。

圖9 Ni40Co30Cr20Al5Ti5在不同狀態(tài)下的力學(xué)性能。( a ) MEAs在室溫下的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。( b )各種MEA的屈服應(yīng)力、拉伸應(yīng)力、總延伸率和均勻延伸率。( c ) D1000和H1000 MEAs的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線和應(yīng)變硬化率曲線。( d ) D1000 MEA與其他合金的屈服強(qiáng)度和總延伸率的比較。

圖10 δHDI 對(duì)力的貢獻(xiàn)。( a ) D1000合金的加載-卸載-再加載( LUR )真應(yīng)力-應(yīng)變曲線。( b ) H1000合金的LUR真應(yīng)力-應(yīng)變曲線。( c )增大了4th的磁滯回線。( d ) HDI對(duì)真應(yīng)變和流變應(yīng)力與HDI應(yīng)力之比的依賴性。

本文通過(guò)對(duì)含有析出相的鑄態(tài)合金進(jìn)行直接冷軋熱處理，成功開(kāi)發(fā)了具有雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的Ni40Cr30Cr20Al5Ti5合金，并獲得了優(yōu)異的強(qiáng)度和塑性的組合。主要結(jié)論如下：

( 1 )合金呈現(xiàn)出由非均勻晶粒結(jié)構(gòu)和分布在晶粒內(nèi)部的多尺度共格析出相組成的雙重異質(zhì)結(jié)構(gòu)。細(xì)粒區(qū)和粗粒區(qū)所占比例分別為67.4 %和32.6 %。亞微米和納米析出相的總體積分?jǐn)?shù)分別為18.7 %和11.7 %。

( 2 )雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)Ni40Co30Cr20Al5Ti5合金表現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)度和塑性的結(jié)合。合金的屈服強(qiáng)度為1200 MPa，抗拉強(qiáng)度為1560 MPa，總伸長(zhǎng)率為33.6 %。與鑄態(tài)合金和H1000合金相比，D1000合金的強(qiáng)度和塑性均有所提高。

( 3 )主要強(qiáng)化機(jī)制為HDI強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化。HDI強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化和析出強(qiáng)化對(duì)屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)分別為530、224和540 MPa。

( 4 )D1000合金的主要變形機(jī)制為位錯(cuò)滑移、高密度層錯(cuò)和Lomer - Cottrell閉鎖。對(duì)于亞微米級(jí)析出相，位錯(cuò)通過(guò)旁路機(jī)制穿過(guò)亞微米級(jí)析出相，位錯(cuò)通過(guò)剪切機(jī)制剪切納米級(jí)析出相。