類似于傳統(tǒng)的金屬材料，高熵合金(High entropyalloy, HEA)通常也表現(xiàn)出一種強度-延性的倒置現(xiàn)象，其強度的增加往往伴隨著塑性的降低，反之亦然，這嚴重限制了它們作為結構材料的工程化應用。開發(fā)出具有可調(diào)節(jié)的微觀結構的梯度合金能有效克服上述問題。目前，諸多表面處理技術可獲得梯度結構，譬如：表面機械磨損處理、高能噴丸強化、表面機械磨削處理、水空化噴丸強化和表面機械軋制處理等。其中，激光噴丸(Lasershock peening, LSP)作為一種通用的、對加工產(chǎn)品形狀無損的方法，因其簡單而有效的優(yōu)勢已經(jīng)得到了廣泛研究。現(xiàn)有研究表明，可以在傳統(tǒng)合金中產(chǎn)生高振幅和數(shù)毫米深度的壓應力，從而極大地提高疲勞耐久性、耐磨性和耐腐蝕性。目前有關于LSP的研究主要集中于傳統(tǒng)合金的表面硬化等以達到改善其疲勞壽命的目的。而對于許多金屬材料而言，其宏觀拉伸力學行為則一定程度上會影響其工程化應用。

目前，許多單相面心立方結構(FCC)的HEAs因其具有較低的堆垛層錯能(SFE)，較易產(chǎn)生變形納米孿晶。因此，采用LSP處理該類高熵合金可以誘導產(chǎn)生包括晶粒尺寸和孿晶密度在內(nèi)的梯度結構。該類梯度材料體現(xiàn)何種力學變形特征？其變形機制如何？理清上述問題，將會對于高熵合金的微觀結構調(diào)控及其變形機理的認識具有重要的科學意義。

基于此，哈爾濱工業(yè)大學材料科學與工程學院的黃永江團隊與英國皇家工程院院士、香港大學顏慶云教授(A.H.W. Ngan)合作，將LSP應用于一種新型的低層錯能的高熵合金(CrFeCoNiMn0.75Cu0.25HEA)，并詳細探究了LSP對于該合金微觀組織結構的影響機制，尤其是其納米/微米尺度上的結構演變規(guī)律，并探明LSP對于這種新型合金材料的宏觀拉伸性能的影響機制。相關研究成果以題“Strengthening CrFeCoNiMn0.75Cu0.25 high entropy alloy via laser shock peening”發(fā)表于材料力學頂級期刊International Journal of Plasticity。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2022.103296

本文依據(jù)高熵合金成分設計準則制備了具有低層錯能(~18 mJ/m2)的單相FCC結構的六元CrFeCoNiMn0.75Cu0.25HEA。電弧熔煉得到了相應的合金板材，并分別對其表面分別進行1次及4次激光沖擊強化處理，隨后深入研究其拉伸變形行為及微觀組織演化。

研究結果表明，經(jīng)過LSP處理后，CrFeCoNiMn0.75Cu0.25HEA樣品的強度及塑性顯著提升。特別地，經(jīng)過四次LSP的HEA試樣的屈服強度達到了鑄態(tài)合金的2倍以上，歸因于其表面形成的由亞晶粒、致密位錯和納米孿晶組成的梯度結構。LSP處理后的樣品中致密的位錯以及變形孿晶顯著提升了其應變硬化能力，使得合金在拉伸變形過程中具有優(yōu)異的塑性。此外，本文揭示了LSP誘導的晶粒細化機制。文中不同拉伸應變下LSP處理后的合金微觀組織以及局部應變的結果則表明，LSP處理后的合金的塑性變形主要由不受LSP影響的中心區(qū)域的位錯調(diào)節(jié)，而受LSP影響的表層已經(jīng)充分硬化，其塑性有限。本文的研究結果表明，利用激光沖擊強化技術可以開發(fā)出具有優(yōu)異力學性能的梯度結構材料。

圖1. (a) 鑄態(tài)HEA的EBSD圖譜以及(b)晶粒尺寸分布；鑄態(tài)、冷軋后再結晶退火(RA)和LSP處理后HEA的(c)工程應力-應變曲線及(d)應變硬化速率曲線。

圖2.LSP處理前后的合金試樣在不同深度下的(a) 顯微硬度值及 (b) 壓痕形貌

圖3.(a, c, e)一次以及(b, d, f)四次LSP處理后的CrFeCoNiMn0.75Cu0.25HEA截面的EBSD圖譜：(a)、(b)晶粒形貌，(c)、(d)晶粒尺寸統(tǒng)計和(e)、(f)取向差角；圖3a和3b分別所示為I區(qū)(深度為~80 mm時)和II區(qū)對應于試樣中不同深度的區(qū)域。

圖4.四次LSP處理后的HEA合金樣品在不同深度方向上的微觀組織結構的TEM明場像：(a)50 mm深度處的雙向NTs；(b) 150 mm深度的單向NTs；(c)300mm深度的位錯線。

圖5.四次LSP處理后HEA合金在不同拉伸應變(e)后樣品表層的TEM：(a)e=5%，(b)e=16%

圖6.四次LSP處理后CrFeCoNiMn0.75Cu0.25HEA的結構特征： (a)孿晶及亞晶界明場圖像，(b)在LSP過程中亞晶界形成的示意圖

圖7.(a) 鑄態(tài)、一次LSP和四次LSP處理后的HEAs強化機制示意圖；(b)屈服強度與晶粒尺寸和位錯密度的曲線圖；(c)LSP處理前后CrFeCoNiMn0.75Cu0.25HEA試樣的屈服強度增量柱狀圖

圖8.(a) 四次LSP處理后的梯度結構HEA的塑性變形行為的有限元模型示意圖；不同拉伸應變下的局部應變分布： (b) 1.6%，(c)5%，(d)16%

總的來說，本文詳細探究了LSP處理后的CrFeCoNiMn0.75Cu0.25HEA的微觀組織演化及其變形行為。結果表明：1次沖擊和4次沖擊后，合金的表面顯微硬度分別提高了20%和33%。此外，在所研究的HEA樣品中，多次LSP處理后，合金表面出現(xiàn)了~80 mm厚的細化晶粒層。表層晶粒細化是由于變形孿晶的形成對其內(nèi)部的粗晶進行分割，繼而導致了小取向差角的亞晶界產(chǎn)生。此外，拉伸結果表明，具有良好的梯度結構的四次LSP 處理后的HEA的力學性能顯著提升。TEM觀察以及有限元模擬的結果表明，對于多次LSP處理后的HEA試樣而言，其優(yōu)異的塑性主要由未受LSP影響的核心區(qū)域的位錯進行調(diào)節(jié)。與結構均勻的合金樣品相比，LSP處理后的HEA具有更優(yōu)異的塑性，這是因為其表面的硬化層促進了穩(wěn)定的塑性流變，從而延遲了局部破壞。