香港理工大学：通过双析出实现高熵合金的超高强度和延展性！

2023-07-10 13:57:36 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

导读：在金属材料中，强度与延展性的平衡一直是一个长期存在的难题。本文介绍了一种新的方法，通过双重沉淀来实现高强度-延展性协同作用。以(Ni2Co2FeCr) 96-xAl4Nbx (at.%)合金为研究对象，研究了纳米级L12颗粒和Laves相强化合金的微观组织和力学性能。分析表明，纳米级L12相通过颗粒剪切机制增强了材料的强度，而Laves相通过Orowan旁路机制增强了材料的强度。变形显微组织研究表明，L12析出相被层错剪切，有利于位错在基体中长距离滑动。变形导致层状堆积故障网络和固定的lomo - cottrell锁的形成，有效地提高了加工硬化能力和塑性稳定性，从而在高强度水平下获得高延性。位错在Laves析出相与基体的界面处堆积，增加了塑性变形初期的加工硬化能力，但引起应力集中。复合析出策略在许多其他合金在技术应用中发挥作用，帮助其获得优异的机械性能。

先进结构材料不断创新，对推动社会的技术进步和可持续发展至关重要，各种工业应用都需要具有高强度和高延展性的材料。然而，提高材料的强度通常会导致延性的降低，这被称为强度-延性平衡。近年来，高熵合金(high-entropy alloy, HEA)设计以其独特的微观结构受到越来越多的关注，为实现优异的力学性能提供了新的可能。面心立方(FCC) HEAs由于在常温和低温下都具有优异的韧性和延展性而引起了广泛的科学兴趣。然而，单相催化裂化结构通常导致屈服强度低，这对于许多实际应用来说是不够的。因此，人们通过固溶强化、晶粒细化、应变硬化和析出强化等多种强化方法来提高FCC HEAs的强度。

在室温和高温条件下，沉淀强化是一种有效的强化HEAs的方法。其制造可以通过传统的时效处理来完成，而不需要复杂的工艺。此外，Laves相是位错运动的强大屏障，它可以在变形的早期阶段提供高的加工硬化速率，有可能避免吕德带的形成。需要指出的是，虽然旁相可以显著提高HEAs的屈服强度，但由于硬相的脆性，过量的旁相会导致延性的显著降低。

鉴于剪切析出相和旁路析出相的优点和局限性，设计两种析出相的双重析出的高级HEAs是一个有趣的研究方向。希望最大限度地发挥两者的优势。需要指出的是，虽然旁相可以显著提高HEAs的屈服强度，但由于硬相的脆性，过量的旁相会导致延性的显著降低。

鉴于剪切析出相和旁路析出相的优点和局限性，设计两种析出相的双重析出的高级HEAs是一个不错的研究方向。希望将两种析出物的优点最大化，缺点最小化，从而获得优异的力学性能。本研究的目的不是用Laves强化取代L12强化，而是将两种强化机制结合在一起以实现平衡性能。值得指出的是，多组分HEAs中的双析出过程是非常复杂的，它涉及到复杂的元素分配和溶质相互作用。目前，对双析出强化HEAs的析出和力学行为缺乏系统的研究。香港理工大学焦增宝教授团队定量地了解HEAs的复合析出行为，并将其析出相组织与体力学性能联系起来。以L12相和Laves相双析出强化的(Ni2 Co2 FeCr)96 - x Al4 Nbx合金为研究对象，对其析出相组织、力学性能、通过三维原子探针断层扫描(3D- apt)、透射电子显微镜(TEM)、第一性原理计算和力学测试，对其变形行为进行了彻底的研究。特别关注了控制双沉淀强化HEAs的沉淀、强化和变形的潜在机制。

相关研究以“Achieving ultrahigh strength and ductility in high-entropy alloys via dual precipitation”为题发表在Journal of Materials Science & Technology上。

链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1005030223004966

图 1（a）显示拟议印刷系统的示意图;（b）潜在应用。

图2所示。在700℃下，3Nb、4Nb、5Nb、6Nb和7Nb合金的维氏显微硬度随时效时间的变化。

图3所示。3Nb、4Nb、5Nb、6Nb、7Nb合金在700℃时效24h后的拉伸工程应力-应变曲线

图 4所示。5Nb合金与不同类型析出强化HEAs的屈折强度与总伸长率的比较

图 5 5Nb合金700℃时效24 h后的显微组织:(a) SEM图，(b)高倍SEM图，(C)暗场TEM图，(d) SAED图，(e) XRD图，(f)插片亮对比区域的EDS谱图，(g)和(h)分别为EBSD IPF图和相图。(e)的插入是(311)衍射峰的反褶积。

图 6 5Nb合金在700℃时效24 h后的APT表征:(a)原子图和(b)接近直方图浓度分布图。(b)的插图是使用杠杆法则计算L12相的体积分数。

图7所示。第一性原理计算:(a)超级单体模型，(b)计算形成的能量图，(c) FCC和L12晶格中含Nb结构的ELF图。

图8 第一性原理计算:(a)超级单体模型，(b)计算形成能，(c) FCC和L12晶格中含Nb结构的ELF图。

图9计算了5Nb HEA在24h时效条件下的固溶强化、晶界强化、L12和Laves相析出强化和总屈折强度的贡献。红点表示合金的实验屈折强度。

综上所述，通过L12相和Laves相通过双析，制备出了一类具有高强度-塑性协同作用的新型HEAs，并且本文对合金的析出相组织、力学性能和变形行为进行了深入研究。得出以下结论。

（1）第一性原理计算表明，Nb优先分配到L12纳米颗粒上，增强了L12相的稳定性。

（2）L12纳米颗粒和Laves相双析出强化5Nb合金的屈服强度超过1400 MPa，极限抗拉强度超过1800 MPa，均匀伸长率达到18%，实现了高强度和延性的良好结合。强化模型表明，L12析出强化对5Nb合金屈服强度的提高起主要作用，L12析出强化、Laves强化、晶界强化和固溶强化共同作用使5Nb合金屈折强度达到1400 MPa以上。

(3) 5Nb合金具有良好的延展性是由于其高了其硬化能力。

(4) L12析出相被剪切，有利于位错在基体中长距离滑动。另一方面，位错堆积在Laves析出相和基体之间的界面上，这增加了塑性变形早期的加工硬化能力，但导致应力集中。

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