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西交大孫軍院士團(tuán)隊(duì): 超高熱穩(wěn)定性共格納米相調(diào)控中熵合金變形機(jī)制

2022-07-13 16:44:10 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

近年來(lái)，多主元中/高熵合金的出現(xiàn)開(kāi)創(chuàng)了金屬材料設(shè)計(jì)的新理念，并且這類(lèi)材料具有突破傳統(tǒng)合金材料諸多性能極限的潛能。尤其具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。其中單相面心立方(FCC)結(jié)構(gòu)的NiCoCr中熵合金是典型代表。然而，單相NiCoCr中熵合金雖然具有超高的斷裂韌性和拉伸延性，但其較低的屈服強(qiáng)度限制了其工程應(yīng)用。

近日，西安交通大學(xué)孫軍院士團(tuán)隊(duì)的D.D. Zhang等人針對(duì)這一問(wèn)題，通過(guò)在NiCoCr合金中引入高密度的納米共格L12相以提高其力學(xué)性能。不同于之前報(bào)道的以Al和/或Ti元素作為納米相形成元素，為避免過(guò)量Ti會(huì)促進(jìn)粗大Heusler相的形成而嚴(yán)重降低材料塑性，該研究用Ta元素替代了Ti元素并結(jié)合價(jià)電子濃度準(zhǔn)則設(shè)計(jì)了一種新穎的具有“FCC+nano-L12”結(jié)構(gòu)的納米共格相強(qiáng)化(NiCoCr)92Al6Ta2中熵合金。更重要的是Ta不僅可以作為納米相的形成元素提高納米相的體積分?jǐn)?shù)，而且其低擴(kuò)散速率會(huì)大幅度降低納米相的粗化速率，從而有利于其組織穩(wěn)定性并提高溫其力學(xué)性能。而且，較大原子尺寸的Ta元素誘發(fā)強(qiáng)烈固溶強(qiáng)化效應(yīng)的同時(shí)，會(huì)進(jìn)一步提高材料的蠕變持久壽命和抗氧化性能。

此外，鑒于納米相的顯著強(qiáng)化效果，研究者大多關(guān)注強(qiáng)化機(jī)制的納米相尺寸效應(yīng)，比如當(dāng)納米相尺寸較小并與基體共格時(shí)為切過(guò)機(jī)制，而當(dāng)顆粒尺寸超過(guò)臨界值或非共格時(shí)為繞過(guò)機(jī)制。然而，對(duì)于納米相如何影響高熵合金的變形機(jī)制卻鮮有報(bào)道。針對(duì)上述幾個(gè)問(wèn)題，該研究系統(tǒng)研究了1)納米共格相的強(qiáng)韌化效應(yīng)；2)材料變形機(jī)制的納米相特征依賴性；3)納米相的粗化動(dòng)力學(xué)行為，并進(jìn)一步揭示了其內(nèi)在機(jī)理。該研究成果日前以“A strong and ductile NiCoCr-based medium-entropy alloy strengthened by coherent nanoparticles with superb thermal-stability”為題發(fā)表在金屬材料領(lǐng)域權(quán)威期刊JMST上。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2022.06.012

研究結(jié)果表明：

(1) 強(qiáng)化機(jī)制理論計(jì)算表明納米共格相貢獻(xiàn)了最大的強(qiáng)化效果，并與其他強(qiáng)化機(jī)制的協(xié)同效應(yīng)使合金具有高強(qiáng)度（YS~1.0GPa，UTS~1.5GPa）的同時(shí)依然保持較高的塑性（~20%）；

(2) 發(fā)現(xiàn)材料基體的變形機(jī)制呈現(xiàn)出一種納米顆粒特征的依賴性。具體而言，當(dāng)顆粒尺寸較小、密度較高、間距較窄時(shí)，材料的變形機(jī)制以平面位錯(cuò)滑移為主；而當(dāng)納米顆粒尺寸較大、密度較低、間距較寬，大量層錯(cuò)主導(dǎo)基體變形，這也導(dǎo)致材料較高的加工硬化能力。這種變形機(jī)制的轉(zhuǎn)變是基體層錯(cuò)能差異、外加應(yīng)力以及不同間距約束效應(yīng)耦合作用的結(jié)果。這一發(fā)現(xiàn)也為通過(guò)改變納米強(qiáng)化相特征而調(diào)控金屬材料變形機(jī)制并進(jìn)一步優(yōu)化力學(xué)性能提供了一種新的思路；

(3) 擴(kuò)散控制的納米顆粗化動(dòng)力學(xué)行為遵循改進(jìn)的LSW熟化模型。而且，含Ta元素的NiCoCr-AlTa合金中的納米顆粒呈現(xiàn)出超高的熱穩(wěn)定性，其粗化速率比傳統(tǒng)鎳基高溫合金低1~3個(gè)數(shù)量級(jí)，并且顯著低于報(bào)道的不含Ta的高熵合金體系中的納米顆粒的粗化速率。所設(shè)計(jì)合金中納米顆粒的這種優(yōu)異抗粗化能力源于Ta元素的關(guān)鍵雙重作用和高熵合金的遲滯擴(kuò)散效應(yīng)。這一結(jié)果表明該合金體系也可能在高溫服役環(huán)境下具有廣闊前景，并為設(shè)計(jì)高熱穩(wěn)定性納米相強(qiáng)化合金提供一定的指導(dǎo)。

圖 1. (NiCoCr)92Al6Ta2合金再結(jié)晶態(tài)與750 °C時(shí)效不同時(shí)間后的微觀組織。時(shí)效誘發(fā)微米尺度富Cr的σ相逐漸沿晶界析出。

圖 2. (NiCoCr)92Al6Ta2中熵合金時(shí)效不同時(shí)間后納米相形貌演化及納米相特征（尺寸、數(shù)密度，體積分?jǐn)?shù)和間距）統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖 3. （a）FCC/L12共格界面原子尺度表征；（b）納米顆粒元素分布特征；（c）基體和納米相的元素配分行為。

圖 4. （a）再結(jié)晶態(tài)和時(shí)效態(tài)合金室溫拉伸曲線和（b）代表性加工硬化曲線；（c1和c2）750 °C時(shí)效1h后斷口附近截面組織和斷口形貌；（d1和d2）750 °C時(shí)效1h后斷口附近截面組織和斷口形貌。

圖 5.（a1-a5）750 °C時(shí)效1h后變形組織：高密度位錯(cuò)、高密度位錯(cuò)墻、少量層錯(cuò)和位錯(cuò)切過(guò)小尺寸顆粒特征；（b1-b5）750 °C時(shí)效64h后變形組織：納米尺度層錯(cuò)和層錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)、高分辨層錯(cuò)和層錯(cuò)穿過(guò)大尺寸納米顆粒。

圖 6. (a) 750°C時(shí)效1h和64h后變形亞結(jié)構(gòu)特征和（b）變形機(jī)制轉(zhuǎn)變機(jī)理示意圖。

圖 7. 750°C時(shí)效64h后不同強(qiáng)化機(jī)制對(duì)屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn),實(shí)驗(yàn)值與理論值吻合較好

圖 8. (a) 納米顆粒粗化行為符合LSW關(guān)系并與報(bào)道的(CoNiCrx)94Al3Ti3體系比較 (b) 所設(shè)計(jì)合金中納米相在750 °C下的粗化速率與傳統(tǒng)Ni基高溫合金及與其他體系中/高熵合金的比較之下呈現(xiàn)出更優(yōu)異的抗粗化能力。

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