近日，上海大學材料學院博士研究生賈岳飛在輕質高熵合金領域取得重要進展，在《Advanced Science》發表題為“Efficient Coarse-grained Superplasticity of a Gigapascal Lightweight Refractory Medium Entropy Alloy”的研究論文（IF=17.5）。材料學院賈岳飛博士生為該文第一作者，孫康博士為通訊作者。

輕質高熵材料作為一類新興的結構材料表現出強度高、密度低、高溫性能優異等特點，有潛力成為下一代航空結構材料。然而，大多數輕質高熵材料，在室溫下的塑性變形能力十分有限，絕大多數比較脆，難以加工成復雜形狀的零件，這嚴重限制了輕質高熵合金的廣泛應用。

超塑性是一種奇特的現象。具有超塑性的合金能像飴糖一樣伸長3倍以上，既不出現縮頸，也不會斷裂。超塑性合金可以用來生產具有復雜形狀的高質量部件，應用于航空航天、化學和生物醫學工程等領域。然而，目前大多數超塑性合金缺乏足夠的強度，并且有很長的超塑性變形期，限制了其廣泛的應用。一些由超細/納米結構晶粒組成的合金可以實現高應變率的超塑性。然而，獲得細小/納米晶粒需要額外的晶粒細化過程，一般都很復雜且成本較高，如高壓扭轉、摩擦攪拌加工或等通道擠壓等，這大大限制了這些材料的經濟可行性。此外，為避免超細晶在變形過程中的晶粒長大，成型溫度要足夠低，這又與高應變速率需要更高的變形溫度相矛盾。

為解決上述問題，該研究團隊在粗晶粒和高強度的輕質難熔高熵合金中實現了鮮有的高應變速率粗晶超塑性，為輕質中、高熵合金的復雜成型及廣泛應用提供了重要的研究基礎。該研究團隊通過對粗晶超塑性變形過程中微觀組織演變進行系統的分析，提出了位錯滑移誘發晶界動態再結晶，進而激發晶界滑移，這樣的連續觸發的“多米諾”粗晶超塑性新機制。這種新機制可以進一步指導新型高強度、粗晶超塑性材料的反向設計與開發。該研究因為不需要額外的晶粒細化過程，直接粗晶實現高應變速率超塑性成型，為高效的超塑性成形開辟了新道路，并且將粗晶超塑性材料應用拓寬到輕質-高強度領域。

總之，目前的研究發現，在千兆帕級LRMEA中實現了罕見的高應變率和粗粒度超塑性（＞440%），其微觀結構是嵌入BCC基質中的超細顆粒。發現連續觸發的“多米諾骨牌”超塑性機制闡明了超塑性變形行為。與傳統以溶質阻力蠕變為主的粗晶合金變形不同，這種“多米諾骨牌”粗晶超塑性變形機理是一種多重變形機理，包括一系列位錯滑動、動態再結晶和晶界滑動，可以像多米諾骨牌一樣連續觸發。微觀結構演化分析的詳細結果表明，在低試樣伸長率下，粗晶粒內部存在DS，在中等伸長率下，DRX在粗晶邊界區域產生細晶粒，超塑性伸長率下細晶顆粒中產生GBS。在這種粗粒超塑性過程中，超細顆粒在產生足以克服溶質拖曳效應的高變形應力、促進形成細晶區的動態再結晶和增強LRMEA強度方面發揮著重要作用。研究工作得到了國家自然科學基金和中國載人航天工程的資助。

文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202207535

圖1 HC-LRMEA樣品的微觀結構和機械性能。a） 具有重要生態和生物意義的可持續發展委員會IPF地圖;b） XRD圖譜;c）根據三種不同的IPF圖計算出的粒度分布;d） 瘋牛病圖像顯示顆粒內的不同顆粒;e） 顯示階相顆粒形態的STEM圖像;f） STEM-EDS 線譜圖顯示了跨 BCC 基質和階相顆粒的元素分布;g） 沿 <110> 方向的 HRTEM 和 BCC 矩陣和階次相位的相應 FFT 圖像;h） 室溫拉伸工程應力-工程應變曲線;i） 先前在室溫下報道的延展性BCC、FCC、HCP、BBC + HCP、FCC+BCC HEA的屈服強度與密度圖

圖2 HC-LRMEA樣品的超塑性行為。A)拉伸下得到的工程應力-應變曲線在973、1073和1173 Kand溫度下加載，應變速率為10-3和10-2s-1;b)在溫度為973、1073和1173 K，應變速率為10-2 s-1條件下斷裂的典型試樣圖像;c)在1173 K條件下，以5×10-4、1×10-3、5×10-3和1×10-2s-1 4種不同應變率進行應變率跳躍試驗，得到應力-應變、o-g、曲線和應變率敏感性(m)值- 1/m為應力指數;D)粗晶粒超塑性變形后試樣的硬度分布;(d)中的插圖說明了硬度測試和硬度壓痕的形貌;E)粗晶粒超塑性鋁合金在高應變率(10- 2s -1)下的屈服強度與超塑性延伸率粗粒度鎂合金,鈮合金，[73]粗晶粒超塑性金屬間化合物和粗晶粒超塑性鈦合金。

圖3 在1173 Kand應變速率為10-2s-1的條件下，形變試樣的組織演化分別為I階段(εs 2096)、Il階段(εs 20096)和III階段(s 40096)。a,d,g) IPF圖，其中插圖表示晶體方向;b,e,h)與(a)， (d)， (g)中IPF映射對應的KAM映射。c)階段l的TEM-BF圖像;f) (d)的DRX映射;i) (h)中所選區域對應的SEM圖像，顯示與晶界滑動(GBS)相關的區域和粉色箭頭標記的空腔;j)超塑性變形后粗晶界的SEM圖像;k) TEM-BF圖像顯示在富zr粒子邊界處有許多納米相;I)顯示富zr粒子和條帶納米相的HRTEM圖像;A區位于富zr粒子中;區域B位于矩陣中;區域“C”位于色帶納米相。

圖4 （a-e)當拉伸應變為0、20%、100、150%和220%時，粗粒HC-LRMEA試樣觀察到的變形過程EBSD表征和示意圖:1個IPF圖;2張KAM地圖;3個說明其作用變形機制的示意圖。f)粗晶粒區亞晶粒和細DRX晶粒帶示意圖;G)粗晶粒變形機理示意圖;h)顯示精細DRX晶粒帶中晶界滑動的示意圖。