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西工大《Scripta Mater》：基于共晶高熵合金的快速合金設計策略！

2022-09-01 15:35:53 作者：材料基來源：材料基分享至：

自2004年以來，高熵合金（HEA）物理冶金領域引起了越來越多的關注。多種元素賦予HEA獨特的冶金特性，如晶格畸變嚴重、短程有序結構、獨特的相變行為、以及優異的機械和物理性能，使其成為極端環境中的潛在結構材料。然而，HEAs巨大的成分空間也給傳統試錯方法的合金設計帶來了巨大的挑戰。雖然已經建立成分和微觀組織之間的關系，預測的微觀組織并不一定意味著優越的力學性能。研究人員正試圖重新優化HEA的組成，以實現固溶，沉淀，相變強化以獲得更好的HEA。

來自西北工業大學的研究人員基于面心立方（FCC）/有序體心立方（B2）EHEA模型系統，開發了兩種具有優異力學性能的FCC和B2過飽和高熵HEA。此外，HEAs的定制基體和改性微觀結構增強了其性能。相關論文以題“Rapid alloy design from superior eutectic high-entropy alloys”發表在Scripta Materialia。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2022.114875

圖1(a)快速設計新的HEAs示意圖。(b)共晶反應相圖。(c)對比文獻中鑄造FCC/B2 EHEAs的拉伸性能(d) Ni30Co30Cr10Fe10Al18W2EHEA的TEM圖。

飽和度越高，析出相的體積分數越高。設計的合金可以通過在不同溫度下退火來誘導第二相。在這種情況下，可以通過選擇合適的共晶體系作為候選合金來設計第二相增強/增韌HEAs。與常規B2合金相比，具有高抗變形能力的過飽和B2相通過激活更多的滑移體系表現出更高的塑性。

圖2 FCC HEA的微觀結構。(a)鑄態OM圖。(b)和(c)合金分別為1200℃-2min和1000℃-30min退火后的EBSD-IPF圖。(d) 1000℃退火后的合金BSE、HAADF和SAED圖。(e)對應的EDS。

過飽和基體為低溫下采用同時再結晶和沉淀工藝獲得豐富的沉淀和穩定的部分再結晶組織提供了可能。除了未溶解的大顆粒B2外，在未再結晶區域和再結晶區域均出現了納米級的B2析出物。未再結晶區域的B2析出物呈條形，而再結晶區域的B2析出物呈等軸狀。條形B2的形成可能與剪切帶促進成核有關。條紋形B2的形成可能與剪切帶促進成核有關。此外， TEM圖像和SAED圖也發現了B2周圍的μ析出。與傳統的單相FCC-HEAs相比，在1000℃下，再結晶在幾分鐘到幾十分鐘內完成，細小的析出相顯著延遲了再結晶動力學。

圖3 B2-HEA的顯微組織。(a) EBSD-IPF圖。(b)和(c)低放大倍率和高放大倍率BSE圖像。(d)對應的EDS映射

圖4所設計HEAs的力學性能。(a) 1200℃和1000℃退火后的HEAs在拉伸應力-應變曲線和斷裂的表面。(b)與其他具有少量B2相的fcc基HEAs的拉伸性能比較。(c)鑄態b2基HEA的工程壓縮應力-應變曲線。(d)與其他NiAl-基合金的壓縮性能比較

分級結構誘導的多種強化機理（晶界強化、位錯強化、沉淀強化）是1000 °C退火合金強度提高的原因。至于高延展性，可歸因于延遲縮頸的分層結構引起的可持續加工硬化行為。高屈服強度可歸因于晶格摩擦強度和固溶體強化的貢獻。得益于可持續的加工硬化行為，抗壓強度也遠高于傳統的NiAl基合金。對于目前基于B2的HEA，軟FCC層沿著晶界分布。在變形過程中，軟相可以協調周圍晶粒的變形并抑制裂紋擴展。因此，在高水平的持續加工硬化過程中，可以充分激發B2基體優越的內在變形能力。

總而言之，文章提出了一種方法，通過測量共晶的單個相組成，從現有的高性能過飽和HEAs中快速篩選高性能過飽和HEAs。過飽和性質促進了基質和改性相的微觀結構，增強了機械性能，這兩種合金驗證了快速設計思路的合理性。共晶合金進行合金設計的兩個必要條件，一方面，所選擇的共晶應具有優良的本征性質。另一方面，硬相或軟相作為改性相可以彌補過飽和基體的弱點，進一步加強延展性。

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