導讀：本文開發了一種新型沉淀強化多元富鎳高熵合金 (HEA)，即使在 1000°C 的溫度下也不會發生應變軟化。由于晶間開裂的快速發生，具有球形析出物和直晶界的 HEA 變脆，表現出較差的抗拉強度~220 MPa，均勻伸長率不足，僅為 ~1.9%。鋸齒狀晶界結構有效地克服了這種晶間開裂問題。所得的具有不規則形狀沉淀物和鋸齒狀晶界的 HEA 顯示出脆性到韌性的轉變，提供高達 ~260 MPa 的優異強度，同時保持 ~6.5% 的均勻伸長率。這種強度和延展性的提高歸因于鋸齒狀晶界對晶間裂紋形核和擴展的抵抗力增強。該結果為具有優異機械性能的高溫結構材料的創新設計提供了一種新方法。

具有高強度、足夠均勻伸長率和800°C以上高溫環境耐受性的耐熱金屬材料是現代民用和工業應用的迫切需求，例如飛機、直升機和火箭的燃氣渦輪發動機的葉片和盤和陸基燃氣輪機。長期以來，鎳基高溫合金一直是這些應用的最佳選擇。現在正在積極尋求進一步提高高溫能力和蠕變強度，以提高推重比和燃油效率；然而，這種進一步的改進現在幾乎達到了他們的瓶頸。最近，高熵合金 (HEAs) 已成為一類新的結構材料。開發的 HEA 通常由五個或更多主要元素組成，也可能包含次要元素以優化總構型熵至少為 1.5 R（R是氣體常數）的屬性。

這種多原理元素概念擴大了相圖中較寬的中心區域的成分選擇，獲得所需的機械和化學性能，如高強度、高延性、高韌性、高比強度和優異的高溫強度以及良好的耐腐蝕性能，以滿足各種服務應用。其中，由共格l12型納米顆粒強化的沉淀硬化HEAs由于其在77 K到環境溫度之間具有極強的強度-延展性協同效應而顯示出了巨大的潛力。通過仔細控制晶界沉淀來消除脆性相的沉淀，或控制晶界類型和分布來構建非均勻的柱狀晶粒微結構，這些納米顆粒強化的HEAs在700-800℃的中等溫度下表現出了極高的強度和可觀的延展性。由于熵對溫度的乘積比焓對溫度的乘積演化更明顯，因此在較低的自由能下，基體和析出相的相穩定性在高溫下都得到了增強。納米沉淀物強化HEAs具有良好的高溫力學性能，然而，目前對這些合金的力學性能和變形機制的研究大多集中在不超過 800°C 的溫度下，而很少研究它們在 800°C 以上的溫度下的行為。

此外，納米沉淀強化的HEA存在嚴重的應變軟化問題，應變軟化問題導致這些材料容易出現偶爾過載和不希望的塑性不穩定性。一旦開始塑性變形，就會發生快速連續的頸縮到一點，這不可避免地導致均勻伸長率差，長期使用會帶來嚴重的使用不可靠性和安全風險。隨著溫度、晶界變得比晶粒內部更弱，另一個關鍵問題，快速晶間開裂，例如沿晶界開裂，可以預見在高溫下會變得更加強烈。快速的晶間開裂導致試樣過早斷裂，這也導致了較差的均勻延伸率。

在此，香港城市大學劉錦川院士團隊設計了一種新型的沉淀強化HEA，并有望耐受 1000°C 及以上的使用溫度。我們首先使用 TTNI8 數據庫仔細評估了 CALPHAD（計算PHAse Diagrams）技術輔助的 Ni-Co-Cr-Fe-Al-Ti-W-Mo 系統，最后設計了一種新型的多組分富鎳 HEA（MNiHEA） Ni 46.23 Co 23 Cr 10 Fe 5 Al 8.5 Ti 4 W 2 Mo 1 C 0.15 B 0.1 Zr 0.02。我們用來篩選該目標成分的標準可以描述如下：1) 添加 Al 和 Ti 以生成高密度 L1 2析出物的形成進行沉淀硬化；2) 摻雜 10 at.% 的 Cr 以形成 Cr 2 O 3膜以進一步改善熱腐蝕和高溫下的抗氧化性；3) W 和 Mo 合金化用于基體的固溶強化和析出物的緩慢粗化動力學；4）微合金化少量C、B和Zr用于晶界強化；5) 相應地調整 Ni、Co 和 Fe 的濃度以穩定 FCC（面心立方）基體。隨后，在 MNiHEA 中引入了鋸齒狀晶界，以消除應變軟化和快速晶間開裂問題。系統地研究了微觀結構、拉伸性能以及相關的變形和斷裂機制。相關研究成果以“Multicomponent Ni-rich high-entropy alloy toughened with irregular-shaped precipitates and serrated grain boundaries”為題發表在Scripta materialia上。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646221003468

圖1。STG-MNiHEA 和 SEG-MNiHEA 試樣的顯微結構。(a) Thermo-Calc 預測的 MNiHEA 的平衡相圖。(b-d) STG-MNiHEA HEA標本。b，代表性 SEM 圖像。顆粒內部 (GI) (c) 和 STGB (d) 處的球形沉淀。(e-g) SEG-MNiHEA 標本。e，典型的 SEM 圖像。在晶粒內部 (f) 和 SEGBs (g) 內有不規則形狀的沉淀物。(h) XRD 曲線。(i) SEG-MNiHEA 樣品的 TEM 暗場 (DF) 圖像。插圖是選區電子衍射 (SAED) 圖案。(j) 高分辨率 TEM (HR-TEM) 圖像。右邊的插圖分別是相應的 FCC 矩陣和 L1 2沉淀物的快速傅立葉變換 (FFT) 圖像。

圖2。SEG-MNiHEA 試樣不規則形析出物的元素分布分析。(a) EPMA地圖。(b) 3D-APT 收集的 Ni、Co、Cr、Fe、Al、Ti、W 和 Mo 元素的原子圖。(c) 在 FCC 基質/L1 2沉淀界面上構建的鄰近直方圖。

圖3。STG-MNiHEA 和 SEG-MNiHEA 試樣在室溫 (RT) 和 1000°C 下的拉伸性能。分別在室溫 (a) 和 1000°C (b) 下的單軸拉伸工程應力-應變曲線。（c）中在1000℃的SEG-MNiHEA試樣的強度和均勻伸長率的優異組合與一個不尋常SEGB增韌相比各種常規鍛造鎳基超合金，以前HEA與和STG-MNiHEA對應物。“開口”符號表示屈服強度，“半開口半實心”符號表示抗拉強度， 分別。(d) 在 1000°C 下拉伸的斷裂 STG-MNiHEA 和 SEG-MNiHEA 試樣的典型 SEM 斷口圖。左右插圖是標記矩形區域的放大視圖。

圖 4。(a-d) 在 1000°C 下拉伸的斷裂 STG-MNiHEA 試樣的側面。a，SEM圖像。TD，拉伸加載方向。在EBSD帶對比度（BC）圖（b）中，反極圖（IPF）圖（c）和內核平均方位差（KAM）圖（d）中選擇的區域的圖4一個。在插圖圖4 c是標記區，在放大顯示圖4 ℃。(e-h) 在 1000°C 下拉伸的斷裂 SEG-MNiHEA 試樣的側面。e，SEM圖像。EBSD BC圖（f）中，IPF圖（g）中，在標記的區域的放大視圖的KAM地圖（H）圖4即

總之，我們成功地開發了一種新型 Ni 46.23 Co 23 Cr 10 Fe 5 Al 8.5 Ti 4 W 2 Mo 1 C 0.15 B 0.1 Zr 0.02 (at.%) MNiHEA，使用計算輔助的CALPHAD方法通過相干 L1 2沉淀物強化。SEG-MNiHEA 試樣克服了應變軟化和快速晶間開裂的問題，表現出不尋常的連續應變硬化和脆韌轉變，拉伸強度提高高達~260 MPa，均勻伸長率分別高達~6.5%。我們的研究結果已經證明了強大的實用性和高溫增韌析出強化的效果HEA與通過SEGB架構。此處采用的緩慢冷卻方法引入 SEGB 和不規則形狀的析出物，簡單易控制，易于被工業過程采用，因此可用于生產許多 SEGB 結構的 HEA 和常規高溫合金。增強強度-延展性協同作用。因此，我們目前的研究結果為未來設計用于高溫結構應用的高性能沉淀強化 HEA 和高溫合金提供了一種新方法。