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大連理工《Scripta Mater》：新型輕質高強、低成本共晶高熵合金！

2021-09-22 15:11:09 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

開發在高溫下具有優異性能的輕質、低成本的結構材料一直是研究人員追求的方向。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%。因此，這些高溫合金已無法滿足工作溫度進一步升高而產生的更嚴苛的使用要求。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、接近平衡的微觀結構，可以抵抗溫度變化直至共晶點，是高溫下應用的絕佳候選者。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件。因此這種EHEA因其卓越的強度和延展性而受到關注。

已有報道的EHEAs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，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。Laves相有多種晶體結構，但最穩定的結構仍不清楚。Laves相隨著溫度和外加應力的變化而發生轉變并具有室溫脆性，使EHEAs中難以控制其微觀結構和性能。因此，仍沒有開發出適合高溫下應用的EHEAs。

大連理工大學的研究人員開發了一種質輕且成本低的大塊共晶高熵合金，鑄態表現出更高的室溫、高溫硬度和比屈服強度，性能高于大多數已有報道的EHEAs、難熔HEAs和傳統合金。相關論文以題為“A novel bulk eutectic high-entropy alloy with outstanding as-cast specific yield strengths at elevated temperatures”發表在Scripta Materialia。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114132

研究發現AlCr1.3TiNi2合金由BCC和L21相組成。2θ值為26.1°和30.3°的低角度超晶格衍射峰分別來自于有序L21相的（111）和（200）面，其計算晶格參數（aL21）為0.5895 nm。BCC相的晶格參數（aBCC）計算為0.2892 nm，BCC和L21相之間的晶格失配通過計算后確定為1.90%，這表明兩相之間的界面是半共格的。EBSD圖中細薄片（平均寬度約為270 nm）具有BCC結構，而粗薄片（平均寬度約為510 nm）具有L21結構。BCC相富含Cr（含有超過90% Cr）。富含Ni、Al和Ti的L21相可以表示為Ni2AlTi，這是一類Heusler型有序相，具有L21結構。

圖1（a）AlCr1.3TiNi2合金宏觀形貌；（b, c）鑄態SEM圖像；（d）XRD圖；（e, f）鑄錠的EBSD圖和DSC曲線

圖2 AlCr1.3TiNi2合金的TEM圖像

圖3 AlCr1.3TiNi2合金的APT表征結果

在常溫下，AlCr1.3TiNi2和Co1.5CrFeNi1.5Ti0.5具有相似的硬度值，但AlCr1.3TiNi2 EHEA在較高溫度下的性能遠遠優于Co1.5CrFeNi1.5Ti0.5HEA。AlCr1.3TiNi2 800℃時的平均硬度值為490.7 HV，900℃時的平均硬度值為483.5HV，在相同溫度下，遠高于Co1.5CrFeNi1.5Ti0.5HEA（約385 HV和346 HV）的值，這表明AlCr1.3TiNi2EHEA具有出色的抗高溫軟化性能。在超過800℃的溫度下，合金在超過50%的壓縮應變下沒有斷裂，這表明AlCr1.3TiNi2 EHEA具有優異的高溫塑性。AlCr1.3TiNi2 EHEA在室溫和高溫下均保持較高的比屈服強度（SYS）。

圖4 AlCr1.3TiNi2合金硬度與溫度關系比較、不同溫度下壓縮的應力應變曲線和SYS與溫度的關系比較

本文開發了一種由L21和BCC相組成的新型輕量級EHEA，Heusler型L21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（層間距約400nm）的千克級AlCr1.3TiNi2EHEA。與大多數報道的RHEA、HEA、EHEA和傳統合金相比，鑄態大塊EHEA具有更高的室溫高溫硬度和SYS值。AlCr1.3TiNi2 EHEA有望在高溫材料領域得到一定應用。（文：破風）

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