導讀：中南大學材料科學與工程學院設計并研究了一種具有高電阻率、寬溫度范圍內的低電阻率溫度系數 ( TCR )、高強度和中等變形性的鐵素體多元合金，旨在克服限制開發高性價比高質量電阻器發展的瓶頸。所開發的標稱成分Fe55Cr28Al12Ti3Si2(at. %) 的塊狀合金在鑄態條件下顯示出嵌入有序共格多組分納米沉淀物的體心立方 (BCC) 基體相，這使其具有183 μΩ cm的高電阻率，低TCR-35 ppm/K（從 298 K 到 673 K），1055 MPa 的高屈服強度，1980 MPa 的高極限抗壓強度和 33% 的中等均勻壓縮應變（在 673 K）。根據對有和沒有納米沉淀物的合金變體的比較研究，BCC-α 基體中完全共格有序的多組分的L21增納米沉淀物強了位錯傳播所需的應力，從而提高了強度和加工硬化能力。此外，多組分L21納米沉淀物能夠有效調節類近藤散射并有助于降低材料的TCR。因此，這項工作展示了一種低成本精密電阻合金的設計策略，通過在多組分合金系統中引入經過良好調整的有序共格多組分析出物，在寬溫度范圍內實現高且穩定的電阻率，并結合高強度和適度的壓縮變形能力。

具有高電阻率 (100 μΩ cm) 和低電阻率溫度系數 ( TCR ) 值 (< 100 ppm/K)的電阻材料在高精度電子測量系統如全球定位系統 (GPS)、數據存儲解決方案、熱電設備，以及汽車應用的溫度和流量控制傳感器等關鍵領域必不可少。鐵鉻鋁 (FeCrAl) 鐵素體合金因其高電阻率、優異的高溫抗氧化性和成本效益而被廣泛用作電阻材料。例如，標稱成分 Fe 74.5 Cr 20 Al 5.5 (at. %) 的商用 FeCrAl 合金表現出優異的電阻加熱性能。Fe 50 Cr 30 Al 20 (at. %)合金的室溫電阻率( ρRT)高達186 μΩ cm，在室溫至773℃的溫度范圍內TCR約為-90 ppm/K 。

盡管在一些已建立的 FeCrAl 鐵素體合金中實現了高電阻率和低TCR的出色組合，但過飽和 BCC 晶格中有限的位錯遷移率導致了固有的脆性。然而，發展中的行業需要具有低TCR的堅固且可變形的高電阻率合金，以提高機械加工性和靈敏度，例如，用于小型化電子設備。在這方面，有一些方面限制了具有成本效益的 FeCrAl 合金作為電阻材料的進一步發展和實際應用。首先，提高 Fe-Cr-Al 合金強度和電阻率的常用方法是增加 Cr 和 Al 含量，但高 Cr 和 Al 含量通常會促進材料的脆性，導致變形性較差。其次，雖然可以通過調整 Fe、Cr 和 Al 的比例來調整TCR值，但同時獲得相當高的電阻率和低TCR 仍然具有挑戰性。第三，傳統 FeCrAl 合金有限的成分范圍限制了調整包括電阻率在內的多種性能的空間，TCR，強度和可變形性。第四，雖然可以預期 FeCrAl 合金的電氣和力學性能與其微觀結構密切相關，但很少有研究致力于通過微觀結構控制來改善電氣和力學性能的結合。

近年來，多組分高熵合金 (HEAs)、復雜濃縮合金 (CCA) 或多主元素合金 (MPEA)的概念顯著拓展了成分探索的空間。具有優異的力學和功能性能的合金，例如，通過引入共格有序的 FeCoNiTaAl HEA，實現了機械和軟磁性能的完美結合。納米沉淀進入面心立方 (FCC) 矩陣。HEA 也是實現高電阻率的有希望的候選材料，因為多種主要元素可能會引起顯著的晶格畸變，從而促進傳導電子的散射。例如，具有有序偽二元 B2-BCC 結構的 Al 2.08 CoCrFeNi HEA 在4.2 K 和300 K 時的電阻率分別為 117.24 μΩ cm 和 119.90 μΩcm。最近，已證明高度分散的析出物對Al x CoCrFeNi (1.0 ≤ x ≤ 3.0) HEA 的TCR值有很大影響。然而，迄今為止報道的多組分 HEA 的電阻率值仍然不是很高（通常低于 120 μΩ cm），并且TCR值主要在較窄的溫度范圍內進行測試，例如從 4.2 K 到 300 K。在這方面，仍需要大量的研究工作來進一步開發具有改進性能的多組分電阻合金。

人們已經認識到，晶格缺陷（如溶質原子、晶界和相界面）對傳導電子的散射可以大大提高電阻率。例如，由于原子尺寸差異引起的晶格畸變，α-Fe 基體中的 Ti、Si 和 Mo 等溶質元素已被證明可以有效地增加電阻率。也有報道稱，Ti、Si、Mo 和 Nb 可以通過固溶強化和/或沉淀硬化提高鐵素體 FeCrAl 合金的屈服強度。因此，通過將微量元素引入 FeCrAl 合金基體的進一步合金開發有望實現機械和電阻率性能的改進組合。

基于此，在這項工作中，中南大學材料科學與工程學院李志明團隊通過引入有序的相干多組分，開發了一種很有前景的鐵素體多組分電阻合金，將納米沉淀進入合金基體。相關研究成果以題“A strong ferritic high-resistivity multicomponent alloy with tunable ordered coherent multicomponent nanoprecipitates”發表在增材制造頂刊Acta Materialia上。

圖 1。(a) 鑄態和均質化樣品的 XRD 圖譜。(b, f) 鑄態 (b, c) 和均質化 (f, g) 樣品的 EBSD 相圖覆蓋晶界和 (c, g) 反極圖 (IPF) 圖。(d, e) 放大的 EBSD 相圖，顯示鑄態樣品中 GB 區域的 HCP Laves 相。“Homo”、“GS”和“GBs”分別是指“均質狀態”、“晶粒尺寸”和“晶界”。

圖 2。(a-c) 鑄態和 (d-f) 均質合金樣品的 BSE 圖像。(g) (e) 中樣品區域的 SEM-EDS 圖。沿晶界分布的 Laves 相用黃色箭頭標記。“PFZ”是指“無沉淀區”。

圖 3。(a) 鑄態合金樣品的高角環形暗場 (HAADF) 掃描 TEM (STEM) 圖像。(b) 選區電子衍射 (SAED) 圖案。(cd) 分散的納米沉淀物的明場 (BF) TEM 圖像和相應的暗場 (DF) TEM 圖像。(ef) 高分辨率 TEM (HRTEM) 圖像顯示納米沉淀物和基質之間的相界面。從 BCC-α 矩陣和 L2 1納米沉淀物獲得的快速傅里葉變換 (FFT) 模式。

圖 4。(a) 鑄態樣品中典型晶粒內部區域的 HAADF-STEM 圖像。(b-f) 元素（即 Fe、Cr、Al、Ti 和 Si）的相應 STEM-EDS 圖。

圖 5。(a) 三維 (3D) 重建圖突出顯示BCC-α 基質中的納米沉淀。(b) 1D 組成剖面，顯示選定區域的組成變化沿（a）中的黃色箭頭沉淀。(c) 以 6 at.% Ti 等成分表面突出顯示的納米沉淀的一維近似圖。b 和 c 中的陰影區域是指數據點的標準差。

圖 6。(a) 鑄態樣品中沿晶界分布的 Laves 相析出物的 TEM-BF 圖像。(b) HRTEM 圖像和 (c) 核殼界面區域的相應 FFT 圖案。（d，e）分別對應于殼和核心區域的 FFT 模式。(f) HRTEM 圖像和 (g) Laves 相（核心區域）的相應 FFT 模式。(h) 含有 Laves 相析出物的典型晶界區域中合金元素（即 Fe、Cr、Al、Ti 和 Si）的 STEM-BF 圖像和相應的 STEM-EDS 圖。“s”和“L”分別指“殼”和“Laves相”。

圖 7。(a) 合金樣品在不同條件下的典型壓縮工程應力-應變曲線，即在室溫下測試的鑄態 (As-cast, RT) 和均質化 (Homo, RT) 樣品，以及在 673 K 下測試的鑄態樣品（鑄態，673 K）。(bg) 不同樣品的斷裂形態：(b, c) 鑄態，RT；(d, e) 人，RT；(f, g) 鑄態，673 K。“Homo”是指“均質化條件”。

圖 8。(a) 鑄態和均質合金樣品在納米壓痕下的典型載荷-位移 (Ph) 曲線，最大載荷為 5 mN，標稱應變率為 0.01 / s。(b) (a) 中綠色方塊突出顯示的區域的放大視圖，以顯示鑄態和均質合金樣品的彈出事件。(c, d) 鑄態和均質合金樣品的典型探測納米壓痕的 ECC 圖像。

圖 9。(a)在 4 K/min 的加熱速率下，鑄態和均質合金樣品的電阻率 ( ρ ) 與溫度 ( T ) 的關系。(b)各種塊狀合金的TCR與室溫電阻率 ( ρ RT )：鑄態和均質化 FeCrAlTiSi 合金，本工作中的參考鑄態 Fe 55 Cr 28 Al 17合金，參考 Ni 80 Cr 20 Ti 67 Al 33, Fe 50 Cr 30 Al 20 , Fe 83.2 Al 15.8 Mn 1.0、Fe 77.6 Cr 5.5 Al 15.9 Mn 1.0、Fe 79.3 Cr 5.4 Al 13.6 Mn 1.7、Al 0.74 CoCrFeNi和 AlCoCrFeNiCu合金。這些合金的 TCR 測量范圍為 300 K 至 673 K。此外，參考商用 Fe 73.2 Cr 21 Al 5.8合金（ TCR測量范圍為 300 K 至 873 K）和 Al還介紹了2.08 CoCrFeNi HEA（TCR測量范圍為 4.2 K - 360 K）。

圖 10。加熱至 (ad) 673 K、(eh) 973 K 和 (il) 1273 K 后水淬后鑄態樣品中顯微組織的 BSE 圖像和 EBSD 相圖。

圖 11。加熱至 1273 K 后水淬后的鑄態合金樣品的 TEM 分析。(a) 放大率相對較低的 STEM-BF 圖像。(b) 包含 Laves 相沉淀的典型區域的放大圖。（c，d）分別來自基質-殼區域（由 b 中的紅色圓圈突出顯示）和核 - 殼區域（由 b 中的金絲雀圓圈突出顯示）的 SAED 圖案。(e) 基體與殼之間界面的 HRTEM 圖像。(f) 核殼界面的 HRTEM 圖像。(g) 含有 Laves 相析出物的典型區域的 STEM-BF 圖像和合金元素（即 Fe、Cr、Al、Ti 和 Si）的相應 STEM-EDS 圖。

圖 12。(a) 尺寸分布和 (b) 相干多組分的間距特征鑄態合金樣品中的納米沉淀物。(c) 樣品在各種條件下的室溫電阻率，即鑄態和加熱到 673 K (673 K-WQ)、973 K (973 K-WQ) 和 1273 K (1273 K-WQ) 之后通過水淬（WQ）。(d) 面積分數和 Laves 相沉淀。

圖 13。(a) 鑄態合金樣品的 STEM-BF 圖像，以及加熱到 (b) 673 K、(c) 973 K 和 (d) 1273 K 然后進行水淬的鑄造樣品。(eh) 示意圖揭示了加熱時的微觀結構演變。

根據研究得出以下主要結論：

(1) 開發的塊狀合金 (Fe 55 Cr 28 Al 12 Ti 3 Si 2 , at. %) 顯示出嵌入有序共格多組分的 BCC-α 基體鑄態下的納米沉淀。鑄態合金具有 183 ± 2 μΩ cm 的高電阻率，-35 ± 10 ppm/K（從室溫到 673 K）的小 TCR，1096 MPa 的高屈服強度，高極限抗壓在室溫下，強度為 1694 MPa，中等均勻壓縮應變為 17%。

(2) 多組分納米析出物不僅增強了位錯傳播所需的應力，而且有助于應變離域，從而提高鑄態合金的應變硬化能力。在 673 K 時，降低的背應力和促進的位錯遷移率緩解了應變局部化，并導致進一步提高的應變硬化能力。因此，與室溫相比，在 673 K 下，鑄態合金在保持 1055 MPa 的高屈服強度的情況下，可以實現 1980 MPa 的增強極限抗壓強度和 33% 的均勻壓縮應變。

(3) BCC-α基質中溶質原子的傳導電子散射，多組分納米沉淀物和相干界面有助于鑄態合金的高電阻率。高度分散的多組分納米沉淀物能夠有效調節近藤樣散射并有助于從 300 K 到 673 K的低TCR (-35 ± 10 ppm/K) 。