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西安交大《Acta》：抗拉1.35 GPa ，延伸率90%！研發(fā)一種面向極端低溫環(huán)境的高性能中熵合金！

2021-09-07 11:34:39 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

導(dǎo)讀：低溫工程應(yīng)用非常需要具有出色低溫機(jī)械性能的金屬材料。本文通過(guò)化學(xué)成分設(shè)計(jì)和熱機(jī)械加工，開發(fā)了一種新型（NiCoCr） 92 Al 6 Ta 2中熵合金（MEA），以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的低溫機(jī)械性能。看來(lái)孿晶（NiCoCr） 92 Al 6 Ta 2 MEA 表現(xiàn)出強(qiáng)烈的溫度依賴性機(jī)械行為，即當(dāng)測(cè)試溫度從 298 降低到 77 K 時(shí)，屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度和拉伸延展性分別從 600 MPa 增加到 800 MPa、1.0 到 1.35 GPa 和 52% 到 90%。該合金實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的強(qiáng)度-延展性協(xié)同作用和非凡的應(yīng)變硬化能力，特別是抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的乘積更優(yōu)于報(bào)道的同類產(chǎn)品。

現(xiàn)代工業(yè)對(duì)極端低溫環(huán)境服役的高性能結(jié)構(gòu)材料的需求日益迫切（如外太空飛行器、低溫恒溫器、液氮/氧/氦運(yùn)輸存儲(chǔ)等領(lǐng)域），而絕大多數(shù)傳統(tǒng)金屬/合金呈現(xiàn)出溫度降低，強(qiáng)度升高但塑韌性下降的現(xiàn)象。近年來(lái)，多組元（中/高熵）合金的出現(xiàn)開創(chuàng)了合金材料設(shè)計(jì)的新理念，并具有突破傳統(tǒng)材料諸多性能極限的潛能，使其在極端環(huán)境中應(yīng)用極具前景。其中單相面心立方（FCC）結(jié)構(gòu)的FeCoCrNiMn高熵合金越低溫越強(qiáng)韌的特性于2014年首次被發(fā)現(xiàn)，隨后又發(fā)現(xiàn)FCC結(jié)構(gòu)的NiCoCr中熵合金具有比其更高的強(qiáng)塑性和創(chuàng)紀(jì)錄的斷裂韌性。然而，單相NiCoCr中熵合金具有較低的屈服強(qiáng)度，是限制其低溫工程應(yīng)用的主要瓶頸。

近日，西安交大材料學(xué)院孫軍教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)這一問(wèn)題，以NiCoCr合金為模型合金通過(guò)成分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)一步提升了其低溫綜合力學(xué)性能。在成分設(shè)計(jì)上，考慮到合金低溫強(qiáng)度的提升主要源于“short-range stress”的晶格摩擦力，因此以適用于多主元合金的Varvenne模型篩選出Al和Ta作為NiCoCr基體的固溶強(qiáng)化元素并基于VEC準(zhǔn)則確定其含量；在微觀結(jié)構(gòu)上，基于位錯(cuò)-共格孿晶界交互作用的溫度依賴性，利用溶質(zhì)原子對(duì)晶界遷移的抑制效應(yīng)，同時(shí)冷軋后輔以快速退火在組織中預(yù)制高密度的退火孿晶，巧妙構(gòu)筑孿晶結(jié)構(gòu)的（NiCoCr）AlxTay多組元合金。隨后，從Al/Ta合金化協(xié)同效應(yīng)以及溫度效應(yīng)兩個(gè)維度對(duì)其力學(xué)行為和變形機(jī)理進(jìn)行了深入的探索。

該研究成果日前分別以“Superior strength-ductility synergy and strain hardenability of Al/Ta co-doped NiCoCr twinned medium entropy alloy for cryogenic applications”為題在結(jié)構(gòu)金屬材料領(lǐng)域權(quán)威學(xué)術(shù)期刊Acta Mater.上發(fā)表。西安交通大學(xué)材料學(xué)院在讀博士生張東東為上述論文第一作者，劉剛教授和張金鈺教授為論文通訊作者，西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為通訊單位。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、111計(jì)劃2.0等項(xiàng)目的共同資助。

研究結(jié)果表明，Al/Ta共摻雜顯著提高了其晶格強(qiáng)度（圖1），并且在室溫下誘發(fā)了異常孿生行為，即Al/Ta共摻雜促進(jìn)了基體NiCoCr合金中退火孿晶形成但抑制變形孿晶，這分別與晶界松弛行為和孿晶機(jī)制轉(zhuǎn)變的尺寸效應(yīng)密切相關(guān)。在液氮溫度下（77K），團(tuán)隊(duì)研發(fā)的（NiCoCr）AlxTay合金的低溫綜合力學(xué)性能顯著優(yōu)于目前報(bào)道的FCC結(jié)構(gòu)高熵合金和典型的傳統(tǒng)高性能低溫合金（如高Ni鋼、304/316L不銹鋼和TRIP/TWIP鋼）（圖2），使其作為結(jié)構(gòu)材料在極端低溫環(huán)境領(lǐng)域具有極大的工業(yè)應(yīng)用潛力。該合金在低溫下展現(xiàn)出多階段的加工硬化能力和優(yōu)異的均勻塑性，這主要源于合金在變形過(guò)程中多種變形機(jī)制的協(xié)同效應(yīng)以及所形成的復(fù)雜亞結(jié)構(gòu)間的強(qiáng)烈交互作用。另外，（NiCoCr）AlxTay合金優(yōu)異的低溫力學(xué)性能已經(jīng)引起了相關(guān)企業(yè)的關(guān)注，通過(guò)進(jìn)一步提升其綜合服役性能，能夠取得實(shí)際應(yīng)用。

圖1. Al/Ta合金化效應(yīng)顯著提高基體NiCoCr合金晶格摩擦力

圖2. （NiCoCr）AlxTay合金室溫和低溫力學(xué)性能及與已報(bào)道合金的性能對(duì)比

圖 4。（NiCoCr） 92 Al 6 Ta 2 MEA 在 298 K 下具有不同應(yīng)變水平（真實(shí)應(yīng)變：5%、15% 和 43%）的變形微觀結(jié)構(gòu)演變的 EBSD 表征。（a1）-（a4） IPF 圖，顯示張力期間優(yōu)選取向的發(fā)展；（b1）-（b4）相應(yīng)的 KAM 映射和 KAM 值統(tǒng)計(jì)結(jié)果的插圖，這意味著 GND 的密度增加。

圖 7。（NiCoCr） 92 Al 6 Ta 2 MEA 在 298 K 下的典型變形子結(jié)構(gòu)顯示了具有不同間斷應(yīng)變（a/5% 和 b/43%）的微觀結(jié)構(gòu)演變。（a1） {111}滑移軌跡上的位錯(cuò)滑移（以黃線標(biāo)記）；（a2）和（a3）GB和退火TB的位錯(cuò)堆積，以及平面全位錯(cuò)（用紅色平行線標(biāo)記）；（b1）沿{111}系統(tǒng)的HDDWs形態(tài)；（b2）具有高密度位錯(cuò)的應(yīng)變誘導(dǎo)微帶；（b3） SF 的特征和與 FFT 模式相關(guān)聯(lián)的 SF 的放大圖像。