研究背景：為滿足極端環(huán)境下的使用要求，設(shè)計在寬溫域范圍內(nèi)均具有優(yōu)異性能的合金對于航空、航天、低溫海洋等先進現(xiàn)代工業(yè)尤為重要。然而傳統(tǒng)合金的性能通常僅限于特定且相對較窄的溫度范圍。例如，典型的鐵素體和馬氏體鋼通常在室溫下表現(xiàn)出優(yōu)異的拉伸性能，但在低溫下會出現(xiàn)嚴重脆化，這是由有害的晶界偏析或基體強度高于晶界的強度引起的。泰坦尼克號事件是低溫脆化引起的災(zāi)難性冶金事故之一。相反，在低溫下具有優(yōu)異性能的合金在高溫下往往表現(xiàn)不佳，如奧氏體鋼。因此開發(fā)在寬溫域范圍內(nèi)均具有優(yōu)異強塑性的合金對于現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展尤為重要。

近年來，基于高熵準則的多主元合金設(shè)計方法，為在廣闊的成分空間中設(shè)計具有優(yōu)異機械性能的新型合金提供了巨大的潛力。雖然目前已報道了多種高熵合金類型，如單相高熵合金，共晶高熵合金、難熔高熵合金等，這些合金同樣很難在較寬溫度范圍內(nèi)同時獲得優(yōu)異強塑性的結(jié)合。

為此，香港城市大學(xué)楊濤教授領(lǐng)銜的研究團隊基于多主元合金設(shè)計方法與熱處理調(diào)控獲得了一種寬溫域范圍內(nèi)（-196~1000 °C）均具有優(yōu)異綜合強韌性的析出強化高熵合金。通過向非等原子比FeCoCrNi基體中引入較高含量的Ti, Al, Ta, W, Nb等L1₂形成元素，促進大量與FCC 基體共格的多組元L1₂納米顆粒的析出，L1₂密度高達58.5%，同時具有較高的固溶溫度約為1165 °C。從而保證了該合金從低溫到高溫能維持較高的強度，另一方面通過合理控制Co元素添加，穩(wěn)定納米顆粒，并降低合金的層錯能，從而激發(fā)在低溫變形過程中大量層錯的產(chǎn)生，進而提高其在低溫下的強塑性。有趣的是，該合金在700 °C表現(xiàn)出了明顯的反常屈服現(xiàn)象，屈服強度可達1045 MPa，這主要歸功于L1₂內(nèi)部超晶格位錯的交滑移現(xiàn)象所形成的Kear -Wilsdorf (K-W)鎖。更為重要的是，通過機械熱處理的方法使得晶界鋸齒化，從而提高了晶界抗中溫脆性的能力，即使在較高的應(yīng)力下，該合金在 600–800 °C中溫區(qū)間仍然表現(xiàn)出了優(yōu)異的延展性。而大多數(shù)傳統(tǒng)鎳基或鈷基高溫合金在該溫度區(qū)間表現(xiàn)出了非常嚴重的晶間脆性，導(dǎo)致沿晶界出現(xiàn)過早脆性斷裂。該研究成果有望為寬溫域范圍內(nèi)高強韌高熵合金的設(shè)計開發(fā)提供重要的理論基礎(chǔ)與科學(xué)指導(dǎo)。相關(guān)成果以“A strong-yet-ductile high-entropy alloy in a broad temperature range from cryogenic to elevated temperatures”為題發(fā)表在金屬領(lǐng)域頂刊《Acta Materialia》上。論文通訊作者為香港城市大學(xué)楊濤教授，第一作者為周英豪（博士后）。其他合作者包括北京航材院孫志雨、南海研究員；香港城市大學(xué)趙仕俊教授、欒軍華博士；南方科技大學(xué)嚴明教授；哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）趙怡潞教授等等。

研究者們結(jié)合合金設(shè)計與機械熱處理調(diào)控，成功設(shè)計出了一種具有高密度共格納米析出和鋸齒晶界形貌的高熵合金，能夠在較寬溫度范圍內(nèi)（超低溫到高溫）均具有優(yōu)異力學(xué)性。與此同時，基于理論計算與微觀結(jié)構(gòu)表征，闡明了同時在寬溫域范圍內(nèi)獲得優(yōu)異強塑性的內(nèi)在機制。這些研究發(fā)現(xiàn)也有望應(yīng)用到其他的金屬結(jié)構(gòu)材料，從而進一步推動材料的組織優(yōu)化與性能提升。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645424001228#sec0010

圖1 高密度異質(zhì)L1₂顆粒及鋸齒晶界

圖2 異質(zhì)L1₂析出相及其內(nèi)部反析出FCC相形貌及共格界面

圖3 TEM-EDS能譜分析

圖4 三維原子探針精確定量析出相成分沿界面的變化

圖5 寬溫域范圍內(nèi)（-196~1000 °C）力學(xué)性能及其與其他合金對比

圖6 鋸齒晶界在抗中溫脆性方面的關(guān)鍵作用

圖7 在700 °C變形量為5%樣品中所觀察到的超晶格位錯的交滑移現(xiàn)象

圖8 所設(shè)計合金在700 °C斷裂后樣品中的變形組織

圖9 所設(shè)計的合金在低溫與室溫條件下的變形組織

圖10 所設(shè)計的合金在800和900 °C條件下的變形組織