顶刊：一种新型微观结构，实现屈服强度1.6GPa超强塑性高熵合金！

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高熵合金(HEA)具有多种主要元素，用于开发成分复杂的合金以扩展性能的可调性已被材料研究界广泛接受。基于Co、Cr、Fe和Ni等各种元素混合的HEA已被证明可以提供性能的最佳组合(如强度和延展性)，特别是由结构渐变组成的异质微观结构是实现强度-延展性协同作用的有效方法之一。另一个有前景的方法是fcc基合金中的析出强化效应，由共格纳米结构的L1₂来强化，也称为γ'析出相，已有学者研究了Ti和Al添加对共格纳米级L1₂和L2₁形成的影响及其对FeCoNiCr基HEA机械性能的影响。然而，实现>1.5GPa的超高屈服强度和合理的延展性仍然非常具有挑战性。

 

美国北德克萨斯大学的研究人员介绍了一种用于高熵合金(HEAs)的新型微观结构，其中面心立方(FCC)复杂的固溶体通过高密度的强并可变形的有序多组分金属间化合物L1₂纳米棒增强。这种纳米棒强化的HEA表现出极高的室温屈服强度(1630MPa/1.6GPa)，良好的拉伸延展性(15%)，抗拉强度达1720MPa。相关论文以题为“High density of strong yet deformable intermetallic nanorods leads to an excellent room temperature strength-ductility combination in a high entropy alloy”发表在Acta Materialia。

 

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117234

合金通过氩气氛围下电弧熔炼制备(水冷铜坩埚)，铸态样品进行1200℃×1h的均匀化固溶处理(水淬)，冷轧至厚度减少80%，冷轧后一部分合金在1100℃下退火(高温退火HTA)，再进行800℃下退火(水淬)，下文简称为CR-HTA-800；第二部分在冷轧后直接在800℃下退火(水淬)，称为CR-800；剩余的第三部分冷轧后在600℃下退火(水淬)，称为CR-600。

 

研究发现与CR-800(约35%)相比，CR-600具有更高的L1₂析出相分数(约45%)。CR-600的晶粒尺寸分布(1.0±0.2μm)也更细小。L1₂析出相的形态从CR-800中的球状变为CR-600中的纳米棒状。同时孪生相关微米级晶粒的比例约为26.5%，有助于室温下的塑性变形。

 

图1 基于CALPHAD的超高强度HEA合金设计

图2经过热机械加工后的显微组织 

图3 CR-600中纳米棒析出相的TEM结果

 

图4CR-600中的纳米棒析出相APT结果

 

图5 纳米棒状析出相的析出顺序示意图

 

经机械加工后，HEA表现出了超高屈服强度(约1.6GPa)并保持一定延展性(15%)，这种超高强度HEA的塑性变形主要由位错介导机制和有限变形孪晶共同作用。微米级晶粒内的高位错活性，加上可变形金属间纳米棒的反复剪切，导致良好的室温延展性。金属间化合物通常非常坚固，在室温下不会变形。然而，在这些HEA中发现的金属间化合物可能具有复杂的成分和显着的室温变形能力或塑性。此外，与传统的镍基超级合金相比，本文合金中的高Fe浓度降低了原材料成本。与大多数合金相比，合金估算成本约为5.5美元/磅，商业镍基超级合金，其成本范围为7-12美元/磅。

 

本文结合成分优化和热机械加工，设计了一种新的HEA，开发具有非常规杆状可变形金属间析出相的第二相强化策略是合金的新设计模式，可以扩展到其他合金系统，例如钢、镍基高温合金，以实现许多工程应用所需的增强性能。使用这种设计方法，预计新一代HEA/CCA将出现，具有用于先进工程系统的卓越结构特性。（文：破风）