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西安交大:晶界析出相,助力1597MPa高强高塑性高熵合金

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由多种元素组成的高熵合金(HEAs)已成为研究的焦点之一。根据最初的设计理念,合金应为稳定单一的固溶状态。为此,设计了面心立方、体心立方和密排六方等单相HEAs合金。特别是FCC单相HEAs(如FeCoCrMnNi)具有优越的断裂韧性和延展性,但是强度不足,限制了FCC单相HEAs的广泛应用。如何在不引起严重脆化的情况下有效地将其强化是扩展实际应用的关键挑战之一。

西安交通大学江峰团队在(FeCoNiCr)89Ti6Al5 (at.%) HEA中引入高密度、细小非共格的L21析出相,通过热机械加工(冷变形、完全再结晶和时效处理)使析出相均匀分布在再结晶晶界处,最终合金性能提升至屈服强度1136MPa、抗拉强度1597MPa、伸长率为25.3%。相关论文以题为“L21-strengthened face-centered cubic high-entropy alloy with high strength and ductility”发表在Materials Science & EngineeringA。

论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.140056

西安交大:晶界析出相,助力1597MPa高强高塑性高熵合金

本研究将Ti和Al作为合金元素加入到FeCoNiCr HEA基体中,通过电弧熔炼生成(FeCoNiCr)89Ti6Al5(at.%) HEA。铸态合金进行1423K×2h的固溶处理,而后进行冷轧(厚度方向减少80%),冷轧后进行1423K×1.5min的再结晶处理,最后进行1053K×4h的时效处理。

析出强化对位错运动的阻碍机制有切过机制和绕过机制。经过热机械加工后的HEA出现大量的L12析出相(10.3±0.2nm),由于析出相较小,位错运动时将切过析出相进而产生阻碍作用;原基体材料中含有的L21(130.7±1.5nm)粒径较大,猜测此时为绕过机制,两种机制共同作用导致合金性能提升。通过理论计算估计L12对强度的贡献为274.5MPa;L21对强度的贡献为487.5MPa。

西安交大:晶界析出相,助力1597MPa高强高塑性高熵合金

图1 析出相分布示意图

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图2 时效后(FeCoNiCr)89Ti6Al5HEA的SEM图像(a)低倍数图像;(b)高倍数图像

研究表明,韧性FeCoNiCr HEA具有极高的n值(0.75),是韧性基体的最佳候选材料之一。观察拉伸后的断口发现合金中具有许多不同尺寸的微裂纹(7-170nm),这些微裂纹被厚度几纳米到几十纳米的纤维桥分开,从而抑制了微裂纹的扩展和聚结。本研究的(FeCoNiCr)89Ti6Al5HEA中,FeCoNiCr基体对于维持一定程度的延展性起着关键作用。它负责阻碍与硬质L21颗粒相关的微裂纹的扩展,并提供合金的加工硬化能力,所以最终能够保持25.3%的伸长率。

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图3 (a)显示三个共存相(FCC矩阵、FCC L12、BCC L21)的HAADF图像;(b)元素分布;(c) [001]BCC衍射图证实L21晶体结构;(d) [111]FCC衍射图证实基体中存在FCC L12析出相

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图4 L12型析出相内部元素分布

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图5 (FeCoNiCr)89Ti6Al5HEA两种典型试样的工程应力-应变曲线及相应的断口

综上所述,本研究证明了细小均匀分布的L21型Ni2AlTi析出相可以有效地作为延性FCC HEAs的强化相,而不会造成显著的延性损失。该合金性能大大超过大多数报道的仅通过L12相强化的FCC HEAs的性能。这种耦合强化机制对于新型FCC HEAs开发优越的机械性能具有重要作用,可以扩展HEA在高性能结构中的应用。(文:破风)

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