導讀：本文設計和制備了一種基于Co-rich CoCrNiFe的高熵合金，摻雜了一些額外的元素W、Mo、Al、Ti和Nb。通過熱機械加工在合金中形成由多尺度沉淀物、精細再結晶晶粒和具有高密度位錯的晶粒組成的異質微結構。合金的屈服強度可以高達2.48 GPa，伸長率約為3.5%。據討論，LI2-γ′沉淀物、高密度位錯和晶界在強化合金方面發揮著主導作用。

隨著主要設備的升級，結構材料的機械性能要求越來越高。正如最近的研究中報告的那樣，馬氏鋼或馬氏不銹鋼長期以來一直是開發的最高強度合金。這種合金的抗拉強度通常在2.0 GPa左右。最近通過激光粉末床熔融制造的瑪拉格鋼的屈服強度可以高達約2.4 GPa，但不幸的是，伸長率僅為1%左右。因此，2.0 GPa的屈服強度似乎是這種合金的上限。

為了突破這一限制，建立一個新的構圖設計策略具有重要意義。例如，最近的工作報告了一種摻雜Al和V元素的中??馕鋼，在熱機械加工后表現出2.21 GPa的超高屈服強度，伸長率為15%。在另一個方面，使用多種主元素和附加元素來形成高熵合金（HEA）的設計應該是一個非常有前途的途徑。

HEAs因其高性能，如高溫下的高強度、高耐磨性和高點蝕性，因此對潛在應用的極大關注。面心立方（FCC）結構HEA通常表現出有希望的強度-延展性協同作用，特別是CoCrNiFe和CoCrNi基合金，其抗拉強度可達2.0 GPa，加上優異的均勻伸長率。然而，進一步提高目前強度更高的CoCrFeNi和CoCrNi基合金的性能仍然是一個挑戰。這些合金的先進特性歸功于它們獨特的異質微觀結構。在異質微結構中，沉淀階段在硬化用各種附加元素摻雜的FCC結構HEA方面發揮著重要作用。

代表性的附加元素包括Al、Ti、Mo和Nb。元素Al、Ti和Mo通常促進相干納米LI2-γ'相和拓撲密閉合相（TCP）的形成。TCP是鋼材中的有害階段，但它有利于通過在軟基質中形成離散的亞微米沉淀物來增強HEA。元素Nb可以促進γ′、γ′′和ε相的形成，特別是通過在納米尺度范圍內的溶質分割促進連續γ?沉淀。上述合金元素在加強HEAs方面發揮著積極作用。

因此，使用這些附加元素設計的HEAs容易表現出不同相位的多尺度沉淀顆粒。結合熱機械加工，應形成異質微觀結構，以有效強化合金。在我們之前的研究中，富含氮的基于Ni2FeCoCr的HEA摻雜了附加元素Al、Ti、W、Mo和Nb，通過熱機械加工獲得了卓越的強度-延展性協同作用，盡管屈服強度有限。考慮到合金可以有效避免在熱機械加工過程中形成片狀馬氏體，并帶來延展性的巨大提高，在目前的工作中。

東北大學設計了一種共富的CoCrNiFe基HEA，并通過熱機械加工構建了異質微結構，以極大地增強合金的強度-延展性協同作用。相關研究成果以“Super-high strength of a CoCrNiFe based high entropy alloy”發表在頂刊Journal of Materials Science & Technology上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S100503022300779X

圖1.SEM-EBSD-EDS表征和鑄件和均質合金的拉伸應力-應變曲線：（a）SEM圖；（b）帶有晶粒尺寸直方圖的EBSD方向圖；（c）穿過矩陣和（a）平方區域沉淀物之間界面的EDS線掃描剖面；（d）帶有斷裂形態圖所示的工程拉伸應力應力曲線。

圖2.在SEM-EBSD和TEM下表征的微觀結構：（a）CR合金；（b）CRA合金；（c）CRAA合金。

圖3.在TEM下表征的CRAA合金的微觀結構：（a）BF圖像；（b）由FFT倒數晶格制成的IFFT圖像對應于（a）中的平方面積；（c）IFFT圖像由一個FFT倒數晶格點制成；（d）對應于（b）的彈性應變圖。

圖4.（a）CRAA和CRA合金的工程拉伸應力-應變曲線；（b）包括當前合金在內的各種先進HEA的屈服強度-均勻伸長率比較圖；（c）相應XRD模式的βcosθ和4sinθ參數之間的擬合線；（d）各種強化機制貢獻示意圖。

總之，目前基于CoCrNiFe的HEA摻雜了W、Mo、Al、Ti和Nb附加元素，通過熱機械加工可以達到2.48 GPa的超高強度，伸長率約為3.5%。這一結果得益于由多尺度沉淀物、精細再結晶晶粒和帶HDD的回收晶粒組成的異質微結構。結果表明，基于CoCrNiFe的HEAs擁有巨大的開發空間，以滿足對高性能結構材料日益增長的需求。