大連理工大學《Acta Materialia》：新型輕質、超高強和高熱穩定性共晶高熵合金！
2023-03-16 16:15:23
作者：材料學網 來源：材料學網
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導讀：共晶高熵合金(EHEAs)結合了HEAs和共晶合金的優點，在高溫應用中具有廣闊的應用前景。然而，目前開發的EHEAs仍然表現出高密度和低高溫強度，這限制了它們的使用。本文提出了一種設計輕質、堅固、高熱穩定性EHEAs的策略，通過引入含有高含量低密度元素的極其穩定的heusler型有序相(L21相)，并構建低晶格失配共晶相界面，從而產生超細穩定的層狀結構和高密度相干納米沉淀物。作為該策略的表現，設計了一種新型體Al17Ni34Ti17V32 EHEA，由L21和體心立方(BCC)相組成(層間間距約320 nm)，晶格錯配率僅為2.4%。該合金在之前報道的所有EHEA中具有最低的密度(約6.2 g/cm3)，并且表現出比大多數報道的難熔HEA (RHEAs)、輕質HEA (LWHEAs)、EHEA和傳統高溫合金更高的高溫硬度和比屈服強度。這項工作為開發具有優異高溫性能的輕型EHEAs鋪平了道路。化石能源和航空航天目前正朝著更長的續航時間、更低的能源消耗和更低的碳排放的方向努力。傳統的鎳基高溫合金已經為這些關鍵行業服務了幾十年，但它們已經逐漸達到了使用溫度的極限，而且價格昂貴，密度高。人們開發了成本優勢明顯、密度相對較低的新型鐵基高溫合金，試圖取代或部分取代鎳基高溫合金，但仍存在高溫強度低、輕量化不足等缺點。因此，在下一代航空發動機和燃氣渦輪發動機中，迫切需要更輕、更強、更熱穩定的新型高溫結構材料，以獲得進一步的效率收益和環境友好性。 共晶高熵合金(EHEAs)作為HEAs的一個亞類，可以結合HEAs和共晶合金的優點，是高溫應用的優秀候選材料。到目前為止，已經開發了幾十種不同的EHEA體系，根據共晶相的結構大致可分為兩類。第一類由面心立方(FCC)相和B2相組成，如AlCoCrFeNi2.1、Al19Fe20Co20Ni41、CrFeNi2.2Al0.8、Ni30Co30Cr10Fe10Al18W2、Al19.3Co15Cr15Ni50.7、Fe28.2Ni18.8Mn32.9Al14.1Cr6、Al17Co28.6Cr14.3Fe14.3Ni25.8、Al17.4Co21.7Cr21.7Ni39.2。這種類型的EHEA通常在室溫下具有優異的強度-延性組合，但由于FCC相強度較低，B2相在高溫下抗蠕變性能較差，其高溫力學性能較差。第二種是FCC相和常見的金屬間化合物(IMCs)，如CoCrFeNiNb0.45、CoCrFeNiMnPdx、V10Cr15Mn5Co10Ni25Fe25.3Nb9.7、CoFeNi1.4VMo、Co2Mo0.8Ni2VW0.8、Zr0.6CoCrFeNi2.0、Hf0.55CoCrFeNi2.0、CoCrFeNiTa0.4、CrFeNi1.85V0.64Ta0.36。這類EHEAs由于對具有多種類型、各種復雜晶體結構的硬IMC具有強化作用，通常具有較高的強度。然而，最穩定的多型還不清楚，隨著溫度和/或外加應力的變化，這些IMCs可能發生相變。此外，它們的晶體結構與FCC相有很大的不同，這表明它們很難形成低錯配的相干/半相干共晶相界面，同時具有較高的界面結合強度。上述問題和其他問題將給EHEA的組織和性能控制帶來相當大的困難。特別是，目前報道的EHEA表現出相對較高的密度，幾乎都大于7.0 g/cm3。因此，目前的EHEA還不能滿足高溫應用的要求。我們最近的初步工作首次在Al-Cr-Ti-Ni體系中發現了潛在的體心立方(BCC) - Heusler (L21)雙相EHEA，具有相似的晶體結構和低晶格錯配(約1.90%)，具有均勻的超細層狀結構(層間間距約400 nm)，具有低密度(約6.4 g/cm3)，優越的高溫力學性能和出色的熱穩定性。 在前期工作的激勵下，我們提出了一種系統的設計策略，通過引入一種極其穩定的heusler型有序相，其中包含高含量的低密度元素，并構建低晶格失配共晶相界面，來開發輕質、超高強度、高熱穩定的EHEAs(詳細設計策略請參閱補充材料)。為了驗證該策略的有效性，設計了由富ni - al - ti相L21和富v相BCC相組成的新型Al-Ni-Ti-V體系EHEA(即Al17Ni34Ti17V32)。在目前報道的EHEA和超細層狀結構(層間間隔約320 nm)中，這種EHEA具有最低的密度(約6.2 g/cm3)，與大多數報道的耐火HEA (RHEAs)、輕質HEA (LWHEAs)、EHEA和傳統的Ni / ti基合金相比，表現出出色的熱穩定性和優越的高溫力學性能。通過實驗研究和理論分析，包括透射電鏡(TEM)和三維原子探針斷層掃描(3DAPT)表征、高溫硬度和壓縮測試、從頭算分子動力學(AIMD)模擬、密度泛函理論(DFT)計算和計算相圖(CALPHAD)預測，揭示了其固有的熱穩定性和強化機制。目前的工作為開發適用于高溫應用的高性能輕量化EHEA提供了有價值的見解。大連理工大學盧一平教授團隊的這項研究成果以題為Lightweight, ultrastrong and high thermal-stable eutectic high-entropy alloys for elevated-temperature applications發表在國際期刊Acta Materialia上。鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645423001374
Al17Ni34Ti17V32合金的相和組織信息。(a-b)鑄態和退火態合金的背散射電子(BSE)圖像。(c)鑄態和退火態合金的XRD譜圖。插圖顯示鑄態合金的EBSD相圖。(d-e)鑄態合金和退火態合金的統計層狀寬度分布。
Al17Ni34Ti17V32合金的透射電鏡表征(a-b)共晶L21和BCC相沿兩個不同區域軸([001]和[011])的SAED圖。(c)鑄態合金的高爐透射電鏡圖像，顯示BCC相中有高密度的納米沉淀物。(d)從(d)插圖中黃色圈出的{111}超晶格點獲得的鑄態合金BCC相的DF TEM圖像。插圖顯示了BCC相的[011]區軸的SAED模式。(e)鑄態合金的HRTEM圖像，顯示L21沉淀嵌入BCC基體內。左上插圖展示了FFT中BCC矩陣的電子衍射圖(EDP);右下插圖顯示了FFT中L21沉淀物的EDP。(f)鑄態合金的高爐透射電鏡圖像，顯示共晶L21相內析出相的分布。(g) HRTEM圖像顯示嵌在L21基質內的BCC沉淀。左上方的插圖顯示了FFT中L21矩陣的EDP;右上方插圖為FFT對BCC析出物的EDP;右下插圖為BCC沉淀/L21矩陣界面的HRTEM放大圖像。(h)鑄態合金HRTEM圖像，顯示L21/BCC的共晶相界面。上面和下面的插圖分別顯示共晶L21和BCC相的edp。(i)來自反FFT的放大hrtem圖像，顯示(h)中的界面區域。
共晶BCC相的APT表征。(a)包含各種元素的三維重建離子圖。(b)從(a)中L21沉淀中捕獲的離子圖的3d重建，顯示Al, Ni和Ti原子團簇。(c) L21沉淀相/BCC基體界面的一維組成剖面。(d) L21納米沉淀物的統計尺寸分布。
共晶L21相的APT表征。(a)各種元素的3d重建離子圖，包括共晶L21相和一小部分BCC相。(b) BCC/L21共晶相界面的一維組成剖面。(c)從(a)中的BCC納米沉淀物中捕獲的離子圖的3d重建，顯示了V原子團簇。(d) BCC析出相/L21基體界面的一維組成剖面。(e) BCC納米沉淀物的統計尺寸分布。
鑄態Al17Ni34Ti17V32合金高溫力學性能研究(a-b)與其他代表性合金相比，該合金的硬度和比硬度與測試溫度的關系。(c)不同溫度下的壓縮工程應力-應變曲線。(d) SYS作為該合金與其他代表性合金比較測試溫度的函數。(e-f)該合金與其他代表性合金的屈服強度和SYS隨同源溫度(T/Tm)的函數關系。
Al17Ni34Ti17V32合金的第一性原理計算。(a)在T = 3000 k時AIMD模擬的部分pdf (b) AIMD模擬期間原子結構的快照。(c)各元素MSD隨時間變化的計算結果，圖中為T = 3000 k時預測的各元素擴散常數。(d) dft通過用V代替Ni2AlTi型L21相中的Ni、Al和Ti預測的生成能。綜上所述，我們提出了一種有效和通用的設計策略，通過引入低密度含元素heusler型(L21)相和構建低晶格失配共晶相界面，開發輕質、超強、高熱穩定的EHEAs。基于這一新策略，我們成功地設計了一種新型的Al17Ni34Ti17V32 EHEA，具有均勻的超細層狀結構(層間間距約320 nm)，并且是之前報道的所有EHEA中密度最低的之一(約6.2 g/cm3)。這種大塊EHEA具有特殊的尺寸和微觀結構穩定性，并且比大多數報道的RHEAs, LWHEAs, EHEA和傳統高溫合金具有更高的高溫硬度和SYSs。AIMD模擬、DFT計算和CALPHAD預測進一步證實了Al17Ni34Ti17V32 EHEA的熱穩定性。EHEA之所以具有優異的高溫性能，主要是由于低晶格錯配所產生的超細和熱穩定共晶結構、極其穩定的L21結構，以及由于預先存在的共晶相界面位錯網絡和納米沉淀物的阻礙而產生的低位錯遷移率。總體而言，目前由L21和BCC結構組成的輕質EHEA系統是受壓縮載荷影響的高溫應用的有前途的候選。
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