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重要突破:2.2GPa超强中熵合金,兼具13%均匀延伸率!

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高强高塑性是材料学家一直追求的目标。来自两岸三地的研究人员设计了一种Co-Cr-Ni基中熵合金,通过低温轧制和高温退火获得异质晶粒结构,经高温退火和时效引入非均析出相,最终获得2.2GPa超高强度和13%均匀延展率的组合。合金强化机理主要为固溶强化、异构形变诱导硬化和析出硬化。双相异质结构是在室温下显著提高强度和塑性的主要原因,为未来开发高强度结构材料开辟了一条新途径。

长久以来,具有挑战性的结构材料(例如应用于飞机起落架,火箭箱等)需要均匀拉伸应变(> 8%)和超高强度(强度>2.0GPa),这是众多学者的研究目标。马氏体时效钢经过马氏体相变和析出强化以达到该目标。通过分析马氏体钢可知,控制富钴合金中FCC相的稳定性,以避免过早出现层状ε马氏体,能够同时获得高强度和延展性。三元的Co-Cr-Ni中熵合金(MEA)具有稳定的FCC相和卓越的机械性能而成为理想的材料之一,但是现阶段仍没有研制出达到该目标的Co-Cr-Ni系合金。

近日,来自香港城市大学、沈阳航空航天大学、台湾中山大学、北京工业大学、台湾交通大学两岸三地的研究人员,设计了一种Co-Cr-Ni基中熵合金,通过低温轧制和高温退火获得异质晶粒结构,经高温退火和时效引入非均析出相,最终获得超高强度(屈服~2GPa,抗拉2.2GPa)和均匀延展性(13%)组合。相关论文于以题为“Dual heterogeneous structures lead to ultrahigh strength and uniform ductility in a Co-Cr-Ni medium-entropy alloy”发表在Nature Communications。

论文链接:

https://doi.org/10.1038/s41467-020-16085-z

本研究使用的中熵合金成分为:34.46Co-32.12Cr-27.42Ni-3Al-3Ti(at%)。对中熵合金进行三种不同的处理,分析组织性能的变化。三种处理分别为仅低温轧制(CR)、低温轧制后高温退火(CRA)和低温轧制后高温退火最后时效(CRAA)。

研究发现中熵合金经过多道次CR后,合金显示典型的薄片状细长晶粒,出现沿金属流动方向的堆垛层错(SFs)。CRA和CRAA合金均显示出晶粒和析出相的异质结构,CRA合金包含粗晶(约30μm)和超细晶(0.5-2μm),在晶界处分布纳米级L12析出相(约100nm),晶粒内部均匀分布更细小的L12析出相(20-50nm)。CRAA与CRA合金相比粗晶和超细晶的粒径无明显变化,时效过程引入了高密度的L12有序相(<5nm)。

图1经过CR,CRA和CRAA处理的合金的微观结构

图2 CRAA合金的微观结构

图3 不同处理状态下合金的机械性能

图4 拉伸试验后CRAA样品的微观结构

由粗晶组成的FCC结构基体在高温退火时因变形梯度形成超细晶,随后的时效过程中晶粒结构得以保留,一方面是L12相的钉扎作用,另一方面是Al和Ti元素引起的溶质拖曳效应。变形过程中形成的高密度堆垛层错可以减少位错的自由路径,并引起动态的Hall-Petch效应有助于硬化效应。高温退火后合金中L12相体积分数可达13.25%,时效时低晶格失配度(0.011%)和低热处理温度(700℃/4h)导致合金析出高密度细小L12相,该相体积分数可达10.95%,合金最终的L12相体积分数为24.2%,这种结构具有很强的二次硬化作用。

因合金的特殊结构,最终CRAA合金的强度达2.2GPa,延伸率为13%。合金强化机理主要为固溶强化、异构形变诱导(HDI)硬化和析出硬化。合金在超高拉应力下,变形后也不会形成孪晶或密排六方结构。高密度位错的缠结可带来较大的应变硬化效果和断裂前的变形能力。合金中的纳米析出相也对变形能力有一定贡献,用Co原子部分替换Ni原子可以显着提高L12相的延展性,并且通过减少Al含量可以用Ti原子替换Al原子来减弱脆化,所以合金能在达到超高强度时具有较好的延展性。

总的来说,本研究通过设计成分和加工方法,成功制造了CoCrNi-AlTi合金,其综合性能优于现有的FCC或BCC结构的高熵合金/中熵合金。低温轧制,退火和时效工艺使合金形成双重异质纳米结构,这种微观结构是在室温下强度显着提高和具有良好的拉伸延展性的主要原因。本文为未来开发高强度结构材料开辟了一条新途径。(文:破风)

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