分級材料是一類具有不同基體和析出相尺寸和形貌特征的多尺度異質結構( HS )材料，不同區域之間的相互作用或耦合導致顯著的協同性能增強。在對多種傳統合金的研究中發現，具有分級特征的微觀結構可以提供優異的強度和塑性的組合。這種獨特性已被用于提高一系列材料的機械性能，包括鈦合金，鎳基高溫合金和高錳鋼，并將純鎢的極限抗拉強度( UTS )提高到1.0 GPa，在200℃時具有優異的延展性(總延伸率、E1)為15.3 % 。在這些合金中，在區域、晶粒和相界處存在應變梯度，以適應塑性變形過程中的應變差異。同時，幾何必需位錯( GNDs )在邊界堆積，其應力場疊加后形成長程內應力，阻止Frank - Read源位錯的進一步發射，產生異質形變誘導硬化( HDI )。

近年來，高熵合金( HEAs )因其獨特的熱力學性能，成為許多苛刻環境下理想的候選材料在結構材料領域，高熵合金物理冶金的復雜性為開發分級微結構以獲得所需的力學性能提供了極好的可能性。Komarasamy等采用高溫大塑性變形技術對Al_0.5 CrFeCoNi合金中的粗大析出相進行變質處理，實現了分級多相組織，其抗拉強度為1400 MPa，伸長率為20 %。Kim等人報道了一種新型的Fe_49.5 Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀C_0.2 Ti_0.1 V_0.1 Mo_0.1高熵合金，該合金通過冷軋和600 ° C退火處理后含有三種碳化物。正是由于這些分級析出相和連續的形變誘導相變，該合金具有優異的力學性能( UTS : ~ 1041 MPa , El : ~ 45 %)。在高熵合金中引入分級結構最常見的方法是熱機械處理和增材制造技術。然而，它們涉及繁瑣的處理，需要多個步驟，并且調整層次結構的形態、尺寸和分布是具有挑戰性的。因此，如何通過直接澆鑄獲得分級結構以獲得優異的力學性能是值得探索的。

近年來，無Co的Al - Cr - Fe - Ni合金已成為一種熱門的高熵合金體系；這些合金的微觀組織具有多種形態，因此它們最有潛力通過鑄造來開發分級微觀結構。Borkar等人研究了一種近共晶Al₂CrCuFeNi₂高熵合金，該合金在凝固過程中經歷了分級相分解，并呈現出花狀形貌。陸教授等人通過直接鑄造法設計并制備了Ni₃₅Al_21.67 Cr_21.67 Fe_21.67高熵合金，該合金呈現出具有核心和花瓣區域的分級微結構。然而，由于體心立方( BCC )相含量過多，這些合金大多表現出本征脆性，僅表現出壓縮性能。通過我們的前期工作，發現Fe₃₀Ni₃₅Cr_21.25 Al_13.75合金具有優異的拉伸性能，并且呈現出典型的多相結構。

為了通過直接鑄造實現分級微結構，本文試圖通過微合金化來優化結構。在這些元素中，Ti的添加顯著細化了晶粒，而Mo由于其較大的原子半徑增加了晶格畸變程度。但需要注意的是，Ti和Mo的添加會顯著降低合金的塑性。通常，為了抵消這一問題，需要降低Al含量以增加FCC相的含量。然而，降低Al含量會導致合金分級結構的損失。為了克服這一挑戰，我們添加了少量的Co來增加FCC相。最終，通過仔細的配比調整和三種微量合金元素的篩選，我們發現Fe₂₇Ni₃₅Cr_18.25 Al_13.75 Co₂Ti₂Mo₂合金在鑄態下具有分級組織，并表現出優異的力學性能。該合金的分層特征主要表現為：多相組織由FCC、BCC ( A2 )和B2相組成；FCC相在不同區域呈現層片狀、菱形和蠕蟲狀形貌；B2相在FCC相中呈棒狀，在BCC相中呈球狀和迷宮狀( (由調幅分解( SP )形成) )；B2層被FCC相包圍，形成核殼結構。系統研究了該合金的相形成、變形機制和非均勻變形誘導( HDI )硬化。

華南理工大學廣東省先進金屬材料加工重點實驗室的傅志強教授團隊對此進行了研究，相關研究成果以題為“Hierarchical microstructure enables high strength and good ductility in as-cast Fe₂₇Ni₃₅Cr_18.25Al_13.75Co₂Ti₂Mo₂ high-entropy alloy”發表在期刊Journal of Materials Science & Technology上。

鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030223008253

圖1 .鑄態Fe₂₇Ni₃₅Cr_18.25 Al_13.75 Co₂Ti₂Mo₂合金的相組成和顯微組織。( a )多相結構的XRD圖譜。( b )低倍IPF圖像顯示細小的等軸晶。( c )相圖顯示FCC和BCC相的分布和體積分數。( d )顯微組織的高倍帶襯度圖像。BCC相和FCC相的( e , f)IPF分別對應于( d )。

圖2 .鑄態合金的SEM - BSE觀察。( a ) URM和UVM的BSE圖像用紅色虛線標出，晶界用黃色箭頭標出。( b )晶粒內不同形貌分級微結構的背散射圖像。( c ) UVM高倍BSE圖像，清晰地顯示了菱形FCC相(被黃色虛線包圍)、球形B2析出相(綠色虛線)和SP (藍色虛線)的形貌。( d ) ULM的BSE圖像。

圖3 .多級結構的TEM觀察。( a )明場( BF ) TEM圖像顯示了在一個晶粒中同時存在ULM、URM和UVM的合金形貌，其各自的區域由白色虛線劃定。( c ) URM的高倍BF - TEM照片及FCC和BCC / B2相的選區電子衍射花樣。( d ) ( c )中紫色方框的HRTEM照片，插圖為各相的FFT圖譜。( e ) ULM的低倍BF - TEM圖像；( f ) ULM的高倍BF - TEM圖像；( g ) UVM的BF - TEM圖像；( h ) URM、ULM和UVM的特征示意圖。 

圖4 . HAADF - STEM圖像和EDS圖譜顯示了鑄態合金中不同形貌B2相區域中Al、Co、Cr、Ti、Ni、Mo和Fe元素的分布情況。

圖5 . HAADF - STEM圖像和EDS元素分布圖顯示，Al、Co、Cr、Ti、Ni、Mo和Fe元素分布在鑄態合金的SP和FCC相周圍的B2殼層中。 

圖6 .所研究合金的鑄態力學性能。( a )室溫下測得的單軸拉伸應力-應變曲線。( b ) Shr曲線。( c、d)總結已報道的具有分級微觀結構的高熵合金在鑄態下的機械性能和本工作收集的數據。

圖7 .計算了所研究合金的鑄態相圖。( a )平衡相圖。( b ) Scheil模擬。

圖8 .提出了鑄態(詳見正文)合金凝固過程中相分解的示意圖。

圖9。拉伸變形過程中的GNDs。( a )拉伸應變為4 %時BCC相的GNDs分布圖。( a₁ ) ( a )所對應的GND值的直方圖。拉伸應變為4 %時FCC相的( b , b₁)分布圖和柱狀圖。分別為拉伸斷口BCC相的( c , c₁)分布圖和柱狀圖。( d , d₁)分布圖和拉伸斷口處FCC相柱狀圖。

圖10 .研究了鑄態合金的裂紋擴展行為。( a )顯示裂紋擴展路徑的BSE圖像，插圖為放大后的白盒BSE圖像，顯示主裂紋周圍存在大量的分層裂紋。( b )裂紋尖端的BSE圖像。( c ) ( b )中紫色方框的高倍BSE圖像顯示主裂紋沿晶界擴展。( d ) ( a )中藍盒子的高倍BSE圖像顯示在FCC和BCC相界面處存在大量的分層裂紋。( e )裂紋分叉從晶界到晶內區域的BSE圖像。( f )主裂紋穿過分層結構的BSE圖像。

圖11 . LUR拉伸試驗。( a ) LUR拉伸應力-應變曲線。( b )第9個滯回環局部放大圖。( c )有效應力( σeff )和背應力( σb )的演化以及σ eff和σ b的應力貢獻隨真應變的變化。

綜上所述，本文采用直接電弧熔煉法成功制備了一種具有多級結構的新型多相Fe₂₇Ni₃₅Cr_18.25 Al_13.75 Co₂Ti₂Mo₂高熵合金，該合金同時具有UVM、URM、ULM、B2析出相和SP結構。該合金具有優異的拉伸性能，屈服強度( YS )為1056 MPa，抗拉強度( UTS )為1526 MPa，總伸長率( El )為15.6 %。這種顯著的力學性能主要是由于軟的FCC相和硬的BCC相之間的不相容變形引起的HDI硬化。同時，多級結構產生的大量界面消耗了能量，有效地增加了位錯儲存能力，延緩了裂紋擴展，實現了高強度和良好塑性的良好結合。這些結果證實了直接鑄造高熵合金可以獲得較高的強度和塑性，同時也為研究具有分級結構的多相高熵合金的變形機制帶來了啟發。