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大連理工大學盧一平教授：直接鑄造高溫下高比屈服強度的新型塊狀共晶高熵合金！

2021-07-19 14:25:49 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

導讀：由于其優異的性能和巨大的工業應用潛力，共晶高熵合金（EHEAs）在過去幾年中一直是研究的熱門話題。本研究報告了一種新型 AlCr1.3TiNi2EHEA，在高溫下具有低密度和出色的機械性能。首先通過直接凝固法制備了具有均勻和超細 L2 1和 BCC層狀結構（層間距 ~ 400 nm）的千克級 EHEA錠。鑄態 AlCr 1.3 TiNi 2 與大多數報道的難熔高熵合金（RHEA）、EHEA 以及傳統的鎳基和鈦基合金相比，EHEA 具有更高的室溫和高溫硬度和比屈服強度值。

開發在高溫下表現出優異性能的輕質、低成本和節能的結構材料一直是研究人員的追求。迄今為止，廣泛用于燃氣渦輪發動機和航空發動機的傳統鎳基高溫合金的最高使用溫度已達到其熔點的80% 。這些高溫合金無法滿足伴隨工作溫度進一步升高而產生的更嚴苛的使用要求。此外，鎳基高溫合金具有固有的高密度且價格昂貴。因此，迫切需要開發用于高溫應用的新一代輕質、高強度、低成本的結構合金。

共晶高熵合金（EHEAs），結合了高熵合金（HEAs）和共晶合金的優點，并表現出可控的近平衡微觀結構，可以抵抗溫度變化直至共晶反應點，是高溫應用的絕佳候選者。特別是，EHEA 具有良好的可鑄性，可以通過直接鑄造制成工業規模的鑄錠，并且可以減輕 HEA 中通常觀察到的相當大的成分不均勻性。因此，也獲得了良好的機械性能。目前已經設計和研究了數十種新的 EHEA 系統：AlCrFeNiMo 0.2、Co 2 Mo 0.8 Ni 2 VW 0.8、Nb 25 Sc 25 Ti 25 Zr25等等。通過匯編在這些報告的 EHEA 中觀察到的共晶相，發現它們主要由面心立方（FCC）和 B2 相或 FCC 和Laves 相組成。在這些相中，已知 FCC 相具有延展性，但強度較低。B2 相具有較高的室溫強度，但在高溫下的抗蠕變性較差。報道的 EHEA 系統尚不適合高溫應用。

在此，大連理工大學盧一平教書團隊本文開發了一種重量輕且成本低的大塊 AlCr 1.3 TiNi 2 EHEA。鑄態 AlCr 1.3 TiNi 2 EHEA 的室溫和高溫硬度和比屈服強度（SYS）值比大多數報道的 EHEA、難熔 HEAs （RHEA）和傳統合金（如Inconel 718 和 Ti-6Al-4V）高得多。使用高溫維氏硬度計（HTV-PHS30，英國）測量大塊樣品的熱硬度。單軸壓縮試驗，對Φ8毫米×1100°C 12毫米在室溫下，400，600，700，800，900，1000，和鑄態樣品上進行，使用熱機械模擬器（Gleeble3800）在一個操作應變10 -3 s - 1 的速率。相關研究成果以題“A novel bulk eutectic high-entropy alloy with outstanding as-cast specific yield strengths at elevated temperatures”發表再國際著名期刊Scripta materialia上。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646221004127

圖 1a顯示了鑄態 AlCr 1.3 TiNi 2鑄錠經過輕微表面拋光后的宏觀形貌，表明該合金具有優良的鑄造性，沒有明顯的收縮缺陷。塊狀合金的實測密度為6.43 g/cm 3，非常接近其理論密度6.47 g/cm 3，進一步表明其顯微組織致密。如圖所示圖1個B中，低倍率SEM背散射電子（BSE）圖像顯示，鑄態合金表現出均勻的和特細的層狀微觀結構。圖1c 中的放大 BSE 圖像表明平均層間間距約為 400 nm。

圖1。（a）鑄態 AlCr 1.3 TiNi 2合金錠的宏觀輪廓。（b） AlCr 1.3 TiNi 2錠的SEM-BSE圖像。（c） AlCr 1.3 TiNi 2錠的放大 SEM-BSE 圖像。（d） AlCr 1.3 TiNi 2錠的XRD圖譜。（e） AlCr 1.3 TiNi 2錠的EBSD相圖。（f）鑄態 AlCr 1.3 TiNi 2錠的DSC曲線。

圖2。AlCr 1.3 TiNi 2 EHEA 的TEM 表征。（a） BF TEM 圖像。（b）細層狀相的SADP。（c）粗層狀相的 SADP。（d） DF TEM 圖像。（e）放大的 DF TEM 圖像。（f）放大的 BF TEM 圖像對應于 L2 1相的中心區域。（g） HRTEM 圖像顯示嵌入 L2 1基質內的納米沉淀物。右上插圖顯示了納米沉淀物/L2 1基質界面的放大 HRTEM 圖像；左上角插圖顯示了來自快速傅立葉變換（FFT）的納米沉淀物的電子衍射圖；右下插圖顯示 L2 的電子衍射圖案來自 FFT 的1 個矩陣。（h）來自逆 FFT （IFFT）的放大 HRTEM 圖像，顯示了（e）中的界面區域。（i） STEM-EDS 元素分布圖。

圖3。AlCr 1.3 TiNi 2 EHEA 的APT 表征。（a）各種元素的離子圖的 3D 重建，顯示了 BCC/L2 1的界面區域。（b） BCC/L2 1界面上的一維成分分布。（c）對應于 L2 1相中心區域的各種元素的離子圖的 3D 重建。（d）從（c）中的納米沉淀捕獲的離子圖的 3D 重建。（e）納米沉淀物/L2 1基質界面上的一維成分分布。

圖 4。（a）硬度的溫度依賴性比較。（b） AlCr 1.3 TiNi 2 EHEA在不同溫度下的壓縮工程應力-應變曲線。（c）比屈服強度（SYS）的溫度依賴性比較。

總之，本文開發了一種由 L2 1和 BCC 相組成的新型輕量級EHEA。類似 Heusler 的 L2 1相首次在 EHEAs 中發現。通過直接凝固方法成功制造了具有均勻超細層狀結構（層間距 ~ 400 nm）的千克級 AlCr 1.3 TiNi 2 EHEA錠。與大多數報道的 RHEA、HEA、EHEA 和傳統合金相比，鑄態大塊 EHEA 表現出更高的室溫和高溫硬度和 SYS 值。此外，本 EHEA 在較高溫度下也表現出出色的抗軟化性。目前的 AlCr 1.3 TiNi 2 EHEA 是一種非常有前途的高溫服務候選者。

盧一平教授：中國材料研究學會凝固科學與技術分會理事/副秘書長、空間材料科學與技術分會理事，中國材料研究學會青年工作委員會常務理事、軍委KJW主題專家、Acta Metallurgica Sinica（English Letters）期刊、材料導報、特種鑄造及有色合金、中國材料進展等期刊編委等。

主持國家自然基金優秀青年基金1項，面上項目2項，青年基金項目1項，以課題負責人和子課題負責人各主持科技部重大專項2項，以課題負責人主持JKW項目2項，中國博士后科學基金一等資助和特別資助各1項，以主要學術骨干參與國家重大研發計劃等國家和省部級基金項目多項。

發表SCI論文71篇，一作及通信作者55篇，包括Acta Materialia、Nanoscale、Script Materilia、Applied Physics Letters、Journal of Applied Physics等國際知名期刊，上述成果被36個國家240個不同的研究機構SCI他引3000次，國際會議邀請報告4次，國內會議邀請報告30余次，分會主席12次。H指數28，一作Acta Materlia等高被引論文3篇，第一作者單篇論文谷歌學術最高引用683次，近5年谷歌學術總引用3000余次，授權發明專利8項。目前主要從事高熵合金的成分設計理論以及工業化制備技術研究。

獲2018年度遼寧省自然成果學術成果獎一等獎（排名1）、中國物理學會同步輻射分會“青年之光”論文獎；2019武漢中國材料學會新材料國際趨勢分會青年科學家論壇“優秀青年科學家獎”；2019中國材料大會中國材料大會“非晶與高熵合金”分會“Outstanding Young Scientist”獎；獲2015年度教育部技術發明一等獎（排4）、國家技術發明二等獎（排4）。

以第一作者在nature 子刊、EPS、 APL，JAP，Acta Mater、Nanoscale（IF：7.367）等國際期刊上發表論文100余篇：代表性的學術成果如下：

1、提出了共晶高熵合金的概念，開創了共晶高熵合金這一新的研究領域：將共晶合金概念引入高熵合金的設計，提出并建立了共晶高熵合金設計理念和物理模型，從合金源頭上解決了高熵合金鑄造流動性差以及成分偏析嚴重的瓶頸難題。使得高熵合金可以同時具備好的鑄造流動性以及高的強度和塑性，相關研究成果發表在nature子刊和金屬材料領域TOP1期刊Acta Mater（IF:6.301）。其中高熵合金首篇論文引用超過500次，第一作者ESI高被引論文3篇，5年總他引2000余次。

2、基于混合焓的方法建立了共晶高熵合金成分設計模型，可以科學的選擇合金元素設計出共晶高熵合金。

3、發現了共晶高熵合金形變時的應力波形分布行為，揭示了其斷裂時（不同于傳統合金）不發生頸縮的機制。

（傳統合金，如鋼鐵、鎳基合金等在拉伸斷裂時會發生明顯的頸縮現象，而共晶高熵合金拉伸時是均勻變形的，不發生頸縮斷裂，在提高工程服役安全上具有重要意義和價值）

3、基于電負性、d電子能級、原子半徑差及VEC電子濃度等物理參數，建立了高熵合金相穩定性模型，指導和制備了系列性能優異的高熵合金……

4、提出了直接鑄造法制備大塊超細晶合金鑄錠的理論方法，并成功使用該理論方法制備出大塊超細晶合金鑄錠。

大塊納米金屬合金在工業上具有重要的應用，使用常規鑄造方法制備大塊超細晶金屬合金一直是業界的難點。本研究提出了設計極端過飽和固溶體合金體系的思想，然后直接使用普通鑄造法即可制備出大塊超細晶合金的理論方法，并成功使用該理論方法制備出AlCoCrFeNi系大塊超細晶合金鑄錠。（Lu Yiping, et al. Preparing bulk ultrafine-microstructure high-entropy alloys via direct solidification. Nanoscale, 2018, 10, 1912-1919. IF：7.367）

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