香港理工大學：通過雙析出實現高熵合金的超高強度和延展性！
2023-07-10 13:57:36
作者：材料學網 來源：材料學網
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導讀：在金屬材料中，強度與延展性的平衡一直是一個長期存在的難題。本文介紹了一種新的方法，通過雙重沉淀來實現高強度-延展性協同作用。以(Ni2Co2FeCr) 96-xAl4Nbx (at.%)合金為研究對象，研究了納米級L12顆粒和Laves相強化合金的微觀組織和力學性能。分析表明，納米級L12相通過顆粒剪切機制增強了材料的強度，而Laves相通過Orowan旁路機制增強了材料的強度。變形顯微組織研究表明，L12析出相被層錯剪切，有利于位錯在基體中長距離滑動。變形導致層狀堆積故障網絡和固定的lomo - cottrell鎖的形成，有效地提高了加工硬化能力和塑性穩定性，從而在高強度水平下獲得高延性。位錯在Laves析出相與基體的界面處堆積，增加了塑性變形初期的加工硬化能力，但引起應力集中。復合析出策略在許多其他合金在技術應用中發揮作用，幫助其獲得優異的機械性能。先進結構材料不斷創新，對推動社會的技術進步和可持續發展至關重要，各種工業應用都需要具有高強度和高延展性的材料。然而，提高材料的強度通常會導致延性的降低，這被稱為強度-延性平衡。近年來，高熵合金(high-entropy alloy, HEA)設計以其獨特的微觀結構受到越來越多的關注，為實現優異的力學性能提供了新的可能。面心立方(FCC) HEAs由于在常溫和低溫下都具有優異的韌性和延展性而引起了廣泛的科學興趣。然而，單相催化裂化結構通常導致屈服強度低，這對于許多實際應用來說是不夠的。因此，人們通過固溶強化、晶粒細化、應變硬化和析出強化等多種強化方法來提高FCC HEAs的強度。在室溫和高溫條件下，沉淀強化是一種有效的強化HEAs的方法。其制造可以通過傳統的時效處理來完成，而不需要復雜的工藝。此外，Laves相是位錯運動的強大屏障，它可以在變形的早期階段提供高的加工硬化速率，有可能避免呂德帶的形成。需要指出的是，雖然旁相可以顯著提高HEAs的屈服強度，但由于硬相的脆性，過量的旁相會導致延性的顯著降低。鑒于剪切析出相和旁路析出相的優點和局限性，設計兩種析出相的雙重析出的高級HEAs是一個有趣的研究方向。希望最大限度地發揮兩者的優勢。需要指出的是，雖然旁相可以顯著提高HEAs的屈服強度，但由于硬相的脆性，過量的旁相會導致延性的顯著降低。鑒于剪切析出相和旁路析出相的優點和局限性，設計兩種析出相的雙重析出的高級HEAs是一個不錯的研究方向。希望將兩種析出物的優點最大化，缺點最小化，從而獲得優異的力學性能。本研究的目的不是用Laves強化取代L12強化，而是將兩種強化機制結合在一起以實現平衡性能。值得指出的是，多組分HEAs中的雙析出過程是非常復雜的，它涉及到復雜的元素分配和溶質相互作用。目前，對雙析出強化HEAs的析出和力學行為缺乏系統的研究。香港理工大學焦增寶教授團隊定量地了解HEAs的復合析出行為，并將其析出相組織與體力學性能聯系起來。以L12相和Laves相雙析出強化的(Ni2 Co2 FeCr)96 - x Al4 Nbx合金為研究對象，對其析出相組織、力學性能、通過三維原子探針斷層掃描(3D- apt)、透射電子顯微鏡(TEM)、第一性原理計算和力學測試，對其變形行為進行了徹底的研究。特別關注了控制雙沉淀強化HEAs的沉淀、強化和變形的潛在機制。相關研究以“?Achieving ultrahigh strength and ductility in high-entropy alloys via dual precipitation”為題發表在Journal of Materials Science & Technology上。
鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1005030223004966
圖 1（a）顯示擬議印刷系統的示意圖;（b） 潛在應用。
圖2所示。在700℃下，3Nb、4Nb、5Nb、6Nb和7Nb合金的維氏顯微硬度隨時效時間的變化。
圖3所示。3Nb、4Nb、5Nb、6Nb、7Nb合金在700℃時效24h后的拉伸工程應力-應變曲線
圖 4所示。5Nb合金與不同類型析出強化HEAs的屈折強度與總伸長率的比較
圖 5 5Nb合金700℃時效24 h后的顯微組織:(a) SEM圖，(b)高倍SEM圖，(C)暗場TEM圖，(d) SAED圖，(e) XRD圖，(f)插片亮對比區域的EDS譜圖，(g)和(h)分別為EBSD IPF圖和相圖。(e)的插入是(311)衍射峰的反褶積。
圖 6 5Nb合金在700℃時效24 h后的APT表征:(a)原子圖和(b)接近直方圖濃度分布圖。(b)的插圖是使用杠桿法則計算L12相的體積分數。
圖7所示。第一性原理計算:(a)超級單體模型，(b)計算形成的能量圖，(c) FCC和L12晶格中含Nb結構的ELF圖。
圖8 第一性原理計算:(a)超級單體模型，(b)計算形成能，(c) FCC和L12晶格中含Nb結構的ELF圖。
圖9計算了5Nb HEA在24h時效條件下的固溶強化、晶界強化、L12和Laves相析出強化和總屈折強度的貢獻。紅點表示合金的實驗屈折強度。綜上所述，通過L12相和Laves相通過雙析，制備出了一類具有高強度-塑性協同作用的新型HEAs，并且本文對合金的析出相組織、力學性能和變形行為進行了深入研究。得出以下結論。（1）第一性原理計算表明，Nb優先分配到L12納米顆粒上，增強了L12相的穩定性。（2）L12納米顆粒和Laves相雙析出強化5Nb合金的屈服強度超過1400 MPa，極限抗拉強度超過1800 MPa，均勻伸長率達到18%，實現了高強度和延性的良好結合。強化模型表明，L12析出強化對5Nb合金屈服強度的提高起主要作用，L12析出強化、Laves強化、晶界強化和固溶強化共同作用使5Nb合金屈折強度達到1400 MPa以上。(3) 5Nb合金具有良好的延展性是由于其高了其硬化能力。(4) L12析出相被剪切，有利于位錯在基體中長距離滑動。另一方面，位錯堆積在Laves析出相和基體之間的界面上，這增加了塑性變形早期的加工硬化能力，但導致應力集中。
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