近日，遼寧材料實驗室、江蘇大學、南京理工大學聯合在高水平期刊《scripta materialia》上發表題為“Ultrafine κ-Phase and De-Faulting Mechanisms Enables 2 GPa Strength with Ductility in a VCoNi Alloy via Ultra-fast Heat Treatment”的學術論文，陳雪飛研究員、羅銳副教授、周浩研究員為共同通訊作者。

前言

中高熵合金（M/HEA）因其特殊的設計理念和獨特的力學性能受到廣泛關注。不同于傳統合金，M/HEA 的強化源于本征機制：顯著的晶格畸變（源于原子尺寸失配）和納米尺度成分波動，共同提升了強度和塑性。此外，強烈的元素間相互作用可促進化學短程有序，進一步阻礙位錯運動并增強應變硬化能力。傳統強化策略，如晶粒細化、沉淀強化、固溶強化等，在 M/HEA 中依然有效，其中沉淀強化可顯著提升其強度，甚至可使屈服強度提升一倍。然而，M/HEA 中的沉淀增強仍然存在一些挑戰。例如，不受控制的沉淀物大小、形狀或體積分數會嚴重降低延展性，甚至導致脆性斷裂。因此，通過精確熱處理實現對微觀結構控制至關重要，尤其需要快速升溫和精確控溫。

基于此，本研究利用 Gleeble 熱模擬系統對冷軋單相VCoNi中熵合金進行超短時高溫熱處理。該系統可實現±0.5℃控溫精度的超快速加熱，確保對沉淀相精確調控。超短時熱處理后的合金獲得2 GPa的超高屈服強度，同時保持4%的均勻延伸率。研究發現，超細κ相的變形與高密度納米尺度層錯高度相關。這些層錯協同參與κ相變形，并產生以前未報道的“退層錯”機制——部分層錯在變形后被恢復。更多精彩歡迎關注公眾號“材料科學與工程”。

Fig. 1. Gleeble 超短時熱處理：(a) 加熱、冷卻和控制模塊的示意圖；(b) 熱處理過程流程圖。

Fig. 2. 超短時熱處理對VCoNi樣品力學性能的影響: (a) 工程應力-應變曲線；(b)真應力-應變曲線 (σ_true) 和加工硬化曲線 (Θ)；(c) 本文中VCoNi合金與類似工藝M/HEA的力學性能對比。

Fig. 3. VCoNi合金在各種超短時熱處理條件下的微觀組織演變：(a) 冷軋樣品和超短時退火樣品的 XRD相分析，其中紅色圓形表示 FCC 衍射峰, 綠色菱形表示κ相衍射峰；(b-1) 和 (b-2) 為冷軋樣品的IPF和相圖；(c-1), (c-2), 和 (c-3) 為UST1 樣品的IPF、相圖和 TEM 圖像；(d-1), (d-2), 和(d-3) 為UST2 樣品的IPF、相圖和 TEM 圖像；(e-1), (e-2), 和(e-3) 為UST3 樣品的IPF、相圖和 TEM 圖像。

Fig. 4. κ相中高密度的層錯導致局部相轉變為 9R 和 HCP 結構：(a) 未變形的 UST3 樣品的明場像；(b-1) 至 (b-8) 一系列納米束電子衍射圖樣，每個探針直徑約為 20 nm，位于 (a) 中κ相的橫向位置。

Fig. 5. UST3 樣品拉伸變形過程中的退層錯行為：(a) 未變形樣品的高分辨微觀結構圖；(b) 在{11-1}方向對同一區域進行幾何相位分析(Geometric phase analysis , GPA)；(c) 圖(a)中白色虛線框中原子像的放大圖, 顯示了高密度的層錯；(d) 拉伸變形后的高分辨微觀組織；(e) 對應的GPA圖；(f) 圖(d)中白色虛線框中原子像放大圖, 顯示了退層錯行為的發生使部分區域恢復近乎完美的FCC晶格；(g) 和 (h) 兩種“退層錯”變形機制。

結論

本研究對處于單相固溶體狀態的冷軋VCoNi中熵合金樣品進行了 Gleeble 超短時高溫熱處理，精確的工藝控制誘導形成了超細 κ 相，該相能夠與基體協調變形，從而實現了優異的力學協同效應——在接近 2 GPa 的超高強度水平下仍保持了必要的延展性。微觀結構分析表明，即使在變形前，κ 相內部也已存在高密度的堆垛層錯。這些層錯呈非周期性分布，導致局部結構異質性，表現為 FCC、HCP 和 9R 相共存。變形過程中，發生了顯著的“退層錯”現象，即部分層錯恢復。為此，研究提出了兩種不同的不全位錯發射機制：一種在晶粒內部起作用，另一種在晶界處起作用。分析表明，在超細晶粒微觀結構中，晶界發射的不全位錯對于促進“退層錯”更為有效。