導(dǎo)讀：多晶合金在中溫狀態(tài)下出現(xiàn)嚴(yán)重的晶間脆化，這限制了它們的安全應(yīng)用。非均相柱晶結(jié)構(gòu)帶來的晶間增韌效應(yīng)，有助于在高溫下恢復(fù)延展性。然而，儲(chǔ)存的變形能可以作為再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力，導(dǎo)致異質(zhì)結(jié)構(gòu)在熱力學(xué)上不穩(wěn)定。在這項(xiàng)研究中，我們仔細(xì)研究了非均質(zhì)柱晶組織的顯微組織穩(wěn)定性和相關(guān)的高溫力學(xué)性能。金屬間相的析出不僅消耗了變形能，降低了再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力，而且阻礙了位錯(cuò)重排，對晶界產(chǎn)生了釘扎作用。異質(zhì)結(jié)構(gòu)在高達(dá)800°C(~ 0.7熔融溫度)的溫度下表現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。這些發(fā)現(xiàn)不僅促進(jìn)了對中溫晶間脆化行為的機(jī)理認(rèn)識(shí)，也為開發(fā)新一代高韌性高溫結(jié)構(gòu)材料提供了有希望的途徑。

高熵合金(high-entropy alloys, HEAs)的出現(xiàn)為設(shè)計(jì)用于結(jié)構(gòu)應(yīng)用的高級合金提供了多種元素組合。在面心立方(FCC)高熵基體中引入相干納米顆粒可顯著增強(qiáng)合金，并且不會(huì)造成嚴(yán)重脆化，這為開發(fā)新一代強(qiáng)而韌性的結(jié)構(gòu)材料提供了思路。這種沉淀硬化HEAs (PH-HEAs)在從低溫到高溫的廣泛溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能。例如，由于明顯的位錯(cuò)交叉滑移事件，已經(jīng)觀察到微帶狀，從而在室溫下產(chǎn)生優(yōu)越的強(qiáng)度-塑性協(xié)同作用。更有趣的是，由于基體相的層錯(cuò)能較低，隨著低溫變形的進(jìn)行，層錯(cuò)逐漸形成，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)微觀組織細(xì)化，從而具有明顯的加工硬化能力。動(dòng)態(tài)霍爾-貼片效應(yīng)使材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)到1.7 GPa，在77 K時(shí)塑性達(dá)到51%。高密度納米顆粒還能有效阻止位錯(cuò)移動(dòng)，提供明顯的高溫硬化效果。通過精心定制合金添加，納米顆粒可以穩(wěn)定在1150°C以上的溫度，進(jìn)一步擴(kuò)大了這些PH-HEAs的使用溫度。

盡管研究人員在高溫環(huán)境下應(yīng)用PH-HEAs取得了令人矚目的成果，但嚴(yán)重脆化的存在嚴(yán)重限制了PH-HEAs在中溫環(huán)境下的安全使用，這已成為限制其在高溫環(huán)境下更廣泛工程應(yīng)用的瓶頸。鎳基高溫合金、高強(qiáng)鋼、鈦合金和新開發(fā)的PH-HEAs、均存在中溫脆化。中溫段的塑性明顯低于低溫段和高溫段，并伴有突變晶間斷裂。這種脆化的起源可歸因于脆性物質(zhì)的晶間脆性相形成和/或非平衡界面偏析。在塑性變形過程中，晶間的Heusler相作為裂紋萌生和擴(kuò)展的優(yōu)先位置，導(dǎo)致嚴(yán)重的脆化。通過調(diào)整熱處理路線，可通過雙相時(shí)效消除晶間的Heusler相，從而恢復(fù)中溫塑性。需要指出的是，晶界特征作為一種重要的微觀結(jié)構(gòu)特征，在決定多晶材料的物理化學(xué)和力學(xué)性能方面起著至關(guān)重要的作用。仔細(xì)調(diào)整熱機(jī)械加工參數(shù)，構(gòu)建了非均質(zhì)柱狀顆粒PH-HEAs。由于大尺寸柱狀晶粒的存在和高能高角隨機(jī)晶界(HARGBs)的減少，非均質(zhì)柱狀晶PH-HEAs不受中溫脆化的影響。

對此，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）材料科學(xué)與工程學(xué)院魏軍教授團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了研究。相關(guān)研究成果以題“Heterostructure high-entropy alloys with exceptional thermal stability and resistance towards intermediate temperature embrittlement”發(fā)表在Journal of Materials Science & Technology上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030224000562

圖1 (a) 制備非均質(zhì)柱晶結(jié)構(gòu)PH-HEAs的熱處理路線。(b)制備試樣的代表性顯微組織，既有柱狀晶區(qū)，也有等軸晶區(qū)。放大后顯示柱狀晶區(qū)與等軸晶區(qū)之間的界面。高密度的納米沉淀物具有雙峰尺寸分布。(c) γ-基體和γ′-納米沉淀物的元素分布揭示了納米尺度的元素分配行為。Ni、Al和Ti元素在γ′-析出相中被強(qiáng)烈分配，而Co、Fe和Cr元素則從析出相中被耗盡。(d)根據(jù)成分杠桿規(guī)則確定γ′相分?jǐn)?shù)為38.3%。

圖2 熱暴露下非均質(zhì)柱粒結(jié)構(gòu)的顯微組織演化。(a)在800°C下熱暴露24 h的樣品獲得的反向極圖圖和GND密度圖;(b) 800°C加熱120小時(shí);(c) 1000°c保溫24 h。相應(yīng)的顯微組織特征也得到了。(d)地地密度頻率分布表。

長期熱曝光后的代表性EBSD圖像如圖2所示。

圖3 (a)不同熱暴露條件下非均質(zhì)柱晶試件高溫拉伸試驗(yàn)的代表性應(yīng)力-應(yīng)變曲線。800℃退火(b) 24 h， (C) 120 h后，試樣斷口出現(xiàn)細(xì)小的韌窩。(d) 1000℃熱暴露后試樣出現(xiàn)嚴(yán)重的晶間斷裂。(e)粗柱狀晶粒阻礙了微孔洞向微裂紋的貫通。并給出了拉伸破壞后試樣的GND密度圖和IPF圖。

圖4 非均質(zhì)柱粒結(jié)構(gòu)在長期熱暴露下的顯微組織演變示意圖。800℃長期退火后，其保留的非均勻柱晶組織通過抑制晶間裂紋表現(xiàn)出顯著的增韌效果。

仔細(xì)研究了非均質(zhì)柱晶結(jié)構(gòu)的顯微組織穩(wěn)定性。高密度金屬間相的析出消耗了變形能，降低了再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力。此外，高密度的析出相有效地阻礙了位錯(cuò)重排，并對晶界產(chǎn)生了釘住作用。因此，異質(zhì)結(jié)構(gòu)在高達(dá)800°C (~ 0.7Tm)的溫度下表現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。本文還定量分析了控制非均質(zhì)柱晶組織熱穩(wěn)定性的相互競爭的動(dòng)力學(xué)因素，即由高密度析出物引起的恢復(fù)變形能和齊納釘扎壓力所提供的再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力。在非均質(zhì)柱晶組織中存在大尺寸柱晶，通過破壞hargb之間的連通性，抑制裂紋的萌生和擴(kuò)展，產(chǎn)生了晶間增韌效應(yīng)，從而獲得了優(yōu)異的中溫拉伸延展性。非均質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略可應(yīng)用于其他具有類似組織的金屬合金，如變形鎳基高溫合金和析出硬化鋁合金，為開發(fā)新一代高韌性高溫結(jié)構(gòu)材料提供了一條有希望的途徑。