北理工團隊《Acta Materialia》：異質結構高熵合金研究重要進展！
2023-12-11 14:26:34
作者：材料基 來源：材料基
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北京理工大學材料學院馬兆龍、程興旺課題組近日在異質結構高熵合金研究中取得重要進展。2023年11月，相關研究成果以“Pursuing ultrastrong and ductile medium entropy alloys via architecting nanoprecipitates-enhanced hierarchical heterostructure”為題在國際知名期刊《Acta Materialia》上發表。博士生郭世康為第一作者，北京理工大學材料學院馬兆龍教授，程興旺教授為論文共同通訊作者，北京理工大學為第一單位。https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119492納米沉淀相強化的中/高熵合金（M/HEAs）具有優異的力學性能，有潛力作為新型結構材料投以應用。然而，進一步增強這些材料通常依賴于增加納米沉淀相的體積分數或者引入更硬的金屬間化合物，這不可避免地會犧牲材料延展性。為了使合金達到更優異的強塑性匹配，課題組提出了一種策略，通過在Co30Cr20Ni40V5Ta5新型中熵合金中構建多重異質結構，在有效提高合金強度的同時保持優異的塑性。該異質結構包含了高體積分數的D022-γ”納米沉淀物、可剪切和不可剪切的金屬間化合物，以及具有異質晶粒結構的低層錯能（SFE）基體。變形過程中，多種組織帶來的協同強化機制，有效的提高了合金的應變硬化能力，實現了1323 MPa/1690 MPa的屈服/極限拉伸強度和29 %的拉伸伸長率的優異力學性能。這項研究為通過控制多尺度微觀結構的不均勻性來設計超強韌性金屬材料提供了范例。如圖1所示。為了進一步分析納米析出相和異質結構帶來的協同強化效果，文中將包含不同組織的Co30Cr20Ni40V5Ta5合金進行對比分析，包括單相合金（SP）、納米沉淀相強化合金（NP）、金屬間化合物+異質晶粒結構合金（IHG）和納米沉淀物+金屬間化合物+異質晶粒結構合金（NPIHG），合金的力學性能和相應組織如圖1所示。為了進一步對比合金不同組織的協同強化作用，分別對不同組織的Co30Cr20Ni40V5Ta5合金做循環加載試驗計算變形過程中合金的非均勻變形誘導應力，結果如圖2所示，包含有多重異質結構的NPIHG合金的非均勻變形誘導應力明顯高于SP、NP和IHG合金。圖2 合金的非均勻變形誘導應力（hetero-deformation induced (HDI) stress）（a） SP、NP、IHG和NPIHG的加載-卸載-再加載（LUR）循環拉伸真實應力-應變曲線;（b）圖（a）中陰影區域中典型磁滯回線的放大圖;（c）SP、NP、IHG和NPIHG合金的HDI應力（σHDI）。（d）合金中HDI應力與流變應力之比（σHDI/σflow）的比較。為了進一步分析NPIHG合金表現出優異力學性能的原因，對比分析了不同應變下NPIHG合金和IHG合金的變形亞結構演化。結果如圖3所示，隨著應變增加，NPIHG合金中出現大量層錯、變形孿晶與L-C位錯鎖，而IHG合金中僅出現層錯。變形過程中，層錯、變形孿晶和L-C位錯鎖有效阻礙位錯運動從而提高合金的加工硬化能力，這也是NPIHG合金表現出優異的強塑性匹配原因之一。圖3 NPIHG合金和IHG合金在不同應變下的變形亞結構。圖4對比了所研究合金與已報道的具有不同組織結構的中/高熵合金的力學性能。盡管NPIHG合金的強度低于一些已報道的合金（UTS>2GPa），但由于多重異質結構有效增強了NPIHG合金的加工硬化能力，NPIHG合金表現出目前已報道最優的強塑性匹配。合金優異的塑性來源于變形過程中不同組織間的協同強化機制，即來自FCC基體的固溶強化，D022-γ''納米沉淀相的共格強化和有序強化，D024-η粒子的Orowan強化（位錯繞過），D019-ε相的位錯切過強化，以及異質晶粒結構的HDI強化。圖4 合金與其他具有典型微觀組織結構的中/高熵合金的室溫力學性能的比較。（a）總伸長率與屈服強度（YS）的關系和（b）總伸長率與極限抗拉強度（UTS）的關系。綜上所示，馬兆龍、程興旺課題組設計了含有多重異質結構的Co30Cr20Ni40V5Ta5新型高性能中熵合金，實現了1323MPa/1690MPa的屈服/極限拉伸強度和29%的拉伸延展性的優異強度-延展性組合。文章提出的設計具有多尺度異質結構和變形亞結構激活能力的微觀結構的方法可以廣泛應用于許多其他金屬材料，包括先進鋼材、高溫合金和中/高熵合金。
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