導讀：多晶合金在中溫狀態下出現嚴重的晶間脆化，這限制了它們的安全應用。非均相柱晶結構帶來的晶間增韌效應，有助于在高溫下恢復延展性。然而，儲存的變形能可以作為再結晶的驅動力，導致異質結構在熱力學上不穩定。在這項研究中，我們仔細研究了非均質柱晶組織的顯微組織穩定性和相關的高溫力學性能。金屬間相的析出不僅消耗了變形能，降低了再結晶的驅動力，而且阻礙了位錯重排，對晶界產生了釘扎作用。異質結構在高達800°C(~ 0.7熔融溫度)的溫度下表現出優異的熱穩定性。這些發現不僅促進了對中溫晶間脆化行為的機理認識，也為開發新一代高韌性高溫結構材料提供了有希望的途徑。

高熵合金(high-entropy alloys, HEAs)的出現為設計用于結構應用的高級合金提供了多種元素組合。在面心立方(FCC)高熵基體中引入相干納米顆粒可顯著增強合金，并且不會造成嚴重脆化，這為開發新一代強而韌性的結構材料提供了思路。這種沉淀硬化HEAs (PH-HEAs)在從低溫到高溫的廣泛溫度范圍內表現出優異的力學性能。例如，由于明顯的位錯交叉滑移事件，已經觀察到微帶狀，從而在室溫下產生優越的強度-塑性協同作用。更有趣的是，由于基體相的層錯能較低，隨著低溫變形的進行，層錯逐漸形成，導致動態微觀組織細化，從而具有明顯的加工硬化能力。動態霍爾-貼片效應使材料的抗拉強度達到1.7 GPa，在77 K時塑性達到51%。高密度納米顆粒還能有效阻止位錯移動，提供明顯的高溫硬化效果。通過精心定制合金添加，納米顆粒可以穩定在1150°C以上的溫度，進一步擴大了這些PH-HEAs的使用溫度。

盡管研究人員在高溫環境下應用PH-HEAs取得了令人矚目的成果，但嚴重脆化的存在嚴重限制了PH-HEAs在中溫環境下的安全使用，這已成為限制其在高溫環境下更廣泛工程應用的瓶頸。鎳基高溫合金、高強鋼、鈦合金和新開發的PH-HEAs、均存在中溫脆化。中溫段的塑性明顯低于低溫段和高溫段，并伴有突變晶間斷裂。這種脆化的起源可歸因于脆性物質的晶間脆性相形成和/或非平衡界面偏析。在塑性變形過程中，晶間的Heusler相作為裂紋萌生和擴展的優先位置，導致嚴重的脆化。通過調整熱處理路線，可通過雙相時效消除晶間的Heusler相，從而恢復中溫塑性。需要指出的是，晶界特征作為一種重要的微觀結構特征，在決定多晶材料的物理化學和力學性能方面起著至關重要的作用。仔細調整熱機械加工參數，構建了非均質柱狀顆粒PH-HEAs。由于大尺寸柱狀晶粒的存在和高能高角隨機晶界(HARGBs)的減少，非均質柱狀晶PH-HEAs不受中溫脆化的影響。

對此，哈爾濱工業大學（深圳）材料科學與工程學院魏軍教授團隊進行了研究。相關研究成果以題“Heterostructure high-entropy alloys with exceptional thermal stability and resistance towards intermediate temperature embrittlement”發表在Journal of Materials Science & Technology上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030224000562

圖1 (a) 制備非均質柱晶結構PH-HEAs的熱處理路線。(b)制備試樣的代表性顯微組織，既有柱狀晶區，也有等軸晶區。放大后顯示柱狀晶區與等軸晶區之間的界面。高密度的納米沉淀物具有雙峰尺寸分布。(c) γ-基體和γ′-納米沉淀物的元素分布揭示了納米尺度的元素分配行為。Ni、Al和Ti元素在γ′-析出相中被強烈分配，而Co、Fe和Cr元素則從析出相中被耗盡。(d)根據成分杠桿規則確定γ′相分數為38.3%。

圖2 熱暴露下非均質柱粒結構的顯微組織演化。(a)在800°C下熱暴露24 h的樣品獲得的反向極圖圖和GND密度圖;(b) 800°C加熱120小時;(c) 1000°c保溫24 h。相應的顯微組織特征也得到了。(d)地地密度頻率分布表。

長期熱曝光后的代表性EBSD圖像如圖2所示。

圖3 (a)不同熱暴露條件下非均質柱晶試件高溫拉伸試驗的代表性應力-應變曲線。800℃退火(b) 24 h， (C) 120 h后，試樣斷口出現細小的韌窩。(d) 1000℃熱暴露后試樣出現嚴重的晶間斷裂。(e)粗柱狀晶粒阻礙了微孔洞向微裂紋的貫通。并給出了拉伸破壞后試樣的GND密度圖和IPF圖。

圖4 非均質柱粒結構在長期熱暴露下的顯微組織演變示意圖。800℃長期退火后，其保留的非均勻柱晶組織通過抑制晶間裂紋表現出顯著的增韌效果。

仔細研究了非均質柱晶結構的顯微組織穩定性。高密度金屬間相的析出消耗了變形能，降低了再結晶的驅動力。此外，高密度的析出相有效地阻礙了位錯重排，并對晶界產生了釘住作用。因此，異質結構在高達800°C (~ 0.7Tm)的溫度下表現出優異的熱穩定性。本文還定量分析了控制非均質柱晶組織熱穩定性的相互競爭的動力學因素，即由高密度析出物引起的恢復變形能和齊納釘扎壓力所提供的再結晶驅動力。在非均質柱晶組織中存在大尺寸柱晶，通過破壞hargb之間的連通性，抑制裂紋的萌生和擴展，產生了晶間增韌效應，從而獲得了優異的中溫拉伸延展性。非均質結構設計策略可應用于其他具有類似組織的金屬合金，如變形鎳基高溫合金和析出硬化鋁合金，為開發新一代高韌性高溫結構材料提供了一條有希望的途徑。