導(dǎo)讀: 借鑒自然界的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)多尺度異質(zhì)結(jié)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)金屬和合金優(yōu)異的強(qiáng)度-延性協(xié)同作用提供了一種有前途的策略。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)通常需要復(fù)雜的多步驟熱機(jī)械加工，但這仍然是鑄造合金而不是鍛造合金的挑戰(zhàn)。在這里開發(fā)了一種Cr₃₀Fe₃₀Ni₃₀Al₅Ti₅ （at.%）鑄造多主元素合金（MPEA），在鑄造狀態(tài)下，它表現(xiàn)出多層次的非均質(zhì)組織，包括多個(gè)長(zhǎng)度尺度的析出物。微尺度體心立方（BCC）晶粒分散在連續(xù)的面心立方（FCC）結(jié)構(gòu)框架中。在FCC基體中形成了相干的L1₂納米顆粒，而在BCC晶粒中則析出了大量具有層次尺寸的納米顆粒。位錯(cuò)和多尺度析出相之間的協(xié)同作用導(dǎo)致了大量的位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)和層錯(cuò)，導(dǎo)致了穩(wěn)定的應(yīng)變硬化行為，使合金具有優(yōu)異的強(qiáng)度和延展性，而無(wú)需均質(zhì)化和復(fù)雜的加工。我們相信這代表了一個(gè)突破，超越了已知的鑄造MPEA，并為開發(fā)新的高性能鑄造合金提供了啟示。

在過(guò)去的幾十年里，多主元素合金（MPEA）或多組分合金，通常以中到高的構(gòu)型熵為特征，由于其多樣化和優(yōu)異的性能，已成為傳統(tǒng)金屬材料在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的極有前途的替代品。迄今為止，在一些MPEA中，強(qiáng)度和延性難題已經(jīng)通過(guò)采用復(fù)雜的熱機(jī)械加工得到解決。MPEA優(yōu)異的力學(xué)性能依賴于四種核心強(qiáng)化機(jī)制，即固溶強(qiáng)化、晶粒細(xì)化強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化和加工硬化。其中，第二階段強(qiáng)化機(jī)制在拉伸載荷下的強(qiáng)度增強(qiáng)效果尤為顯著。通過(guò)控制合金成分和優(yōu)化熱處理，亞微米到納米級(jí)的析出物可以引入飽和的固溶基體中，從而在變形過(guò)程中促進(jìn)位錯(cuò)的堆積和倍增。

與包括MPEA在內(nèi)的人造合金相比，自然界進(jìn)化的生物材料在多個(gè)長(zhǎng)度尺度上往往表現(xiàn)出較大的成分和結(jié)構(gòu)異質(zhì)性。一個(gè)典型的例子是皮質(zhì)骨，膠原分子和羥基磷灰石納米晶體在納米尺度上組裝成礦化的膠原原纖維。原纖維進(jìn)一步組裝形成纖維（1 lm直徑），薄片（5 lm直徑厚度），然后是骨（200 lm直徑）按照特定的安排-這些結(jié)構(gòu)特征在多個(gè)長(zhǎng)度尺度上起著增強(qiáng)和增韌的協(xié)同作用。這種層次非均質(zhì)結(jié)構(gòu)賦予了生物材料在不同區(qū)域和長(zhǎng)度尺度上產(chǎn)生的強(qiáng)度和斷裂韌性的良好組合。最近的研究表明，在金屬和合金中引入類似的分層非均質(zhì)在促進(jìn)應(yīng)變硬化和促進(jìn)均勻拉伸延展性方面具有良好的有效性。在這種情況下，熱機(jī)械加工（例如，均質(zhì)化、熱軋、熱鍛造、熱擠壓、退火和時(shí)效）已被證明是構(gòu)建此類結(jié)構(gòu)的可行方法，可以觸發(fā)一種或多種強(qiáng)化機(jī)制，以避免強(qiáng)度-延性權(quán)衡。然而，現(xiàn)有的在MPEA中創(chuàng)建分層異質(zhì)性的策略通常涉及復(fù)雜且耗時(shí)的多階段熱機(jī)械處理。相比之下，不需要后續(xù)變形處理的直接鑄造，通過(guò)具有成本效益的大規(guī)模生產(chǎn)復(fù)雜形狀部件，顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。然而，鑄態(tài)MPEA在拉伸狀態(tài)下往往表現(xiàn)出高強(qiáng)度但低延性，反之亦然。因此，在不采用復(fù)雜的熱機(jī)械加工的情況下，通過(guò)直接鑄造技術(shù)開發(fā)高性能MPEA仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

在本研究中，山東大學(xué)宋凱凱團(tuán)隊(duì)通過(guò)在一組（CrFeNi）_100-x-yAl_xTiy (at.%)MPEA中以便宜的Fe取代昂貴的Co，同時(shí)在CrFeNi體系中引入Al和Ti元素，成功地解決了上述問(wèn)題。基于系統(tǒng)熱力學(xué)計(jì)算對(duì)相形成的評(píng)價(jià)，是一種含5%的Al和5%的Ti合金成分。在合金中構(gòu)建了分層非均質(zhì)結(jié)構(gòu)，這包括在FCC基體中形成相干L12納米顆粒以及在BCC晶粒中析出多個(gè)分層顆粒。這種設(shè)計(jì)策略通過(guò)制備的Cr₃₀Fe₃₀Ni₃₀Al₅Ti₅鑄造MPEA 得到驗(yàn)證，由于位錯(cuò)和多尺度析出相之間的協(xié)同相互作用，提供了卓越的強(qiáng)度-塑性組合。研究了組織和變形行為的細(xì)節(jié)，以闡明微觀組織的形成和強(qiáng)化/延化機(jī)制。

相關(guān)研究成果以“Exceptional strength-ductility synergy in a casting multi-principal element alloy with a hierarchically heterogeneous structure”發(fā)表在MATERIALS TODAY上

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702124002335

圖1 Cr₃₀Fe₃₀Ni₃₀Al₅Ti₅鑄造MPEA的成分設(shè)計(jì)及相分析。

(a-c) (CrFeNi)_100-x-yAl_xTi_y合金中a) VEC vs.δ, b) X vs. δ和c) ΔH_mix vs.δ計(jì)算的熱力學(xué)參數(shù)的相形成函數(shù)。

(d, e) (CrFeNi)_100-xAl_x和（CrFeNi）_100-xTi_x合金中VEC、ΔHmix和相組成對(duì)Al或Ti含量的影響。

(f)計(jì)算出Cr₃₀Fe₃₀Ni₃₀Al₅Ti₅ MPEA的相體積分?jǐn)?shù)隨溫度變化的平衡相圖

基于以上分析，為了進(jìn)一步研究，我們有意將組合物設(shè)計(jì)為Cr30Fe30Ni30Al5Ti5。由于其d、X、ΔH_mix和VEC分別為4.82%、2.11、-10.02 kJ/ml和7.55，預(yù)計(jì)形成由FCC和BCC相組成的非均相結(jié)構(gòu)，并形成一系列有序的析出相，這可能會(huì)提高材料的力學(xué)性能。利用Thermol - Calc v. 2020b和TCHEA-3數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)Cr₃₀Fe₃₀Ni₃₀Al₅Ti₅ MPEA進(jìn)行熱力學(xué)相圖計(jì)算，從理論上預(yù)測(cè)相的形成。根據(jù)計(jì)算出的平衡相隨溫度的函數(shù)圖（圖1f），隨著溫度的降低，熔體首先形成初級(jí)BCC相，然后在凝固過(guò)程中剩余的熔體轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>FCC相。隨著溫度的降低，BCC和FCC基體中會(huì)析出L12、L21、g-Ni₃Ti和B2等有序化合物。由于在非平衡凝固條件下有限的溫度和時(shí)間窗口，這些相有望保持到室溫。這導(dǎo)致了一個(gè)復(fù)雜的相構(gòu)成，主要是一致的目標(biāo)，我們的組成設(shè)計(jì)。

圖2 Cr₃₀Fe₃₀Ni₃₀Al₅Ti₅鑄造MPEA的層次非均質(zhì)結(jié)構(gòu)。

a-d)放大后的SEM和亮場(chǎng)（BF） TEM圖像顯示MPEA的復(fù)合結(jié)構(gòu)和BCC區(qū)域內(nèi)的分層沉淀物。

e) FCC區(qū)域的HRTEM圖像（插圖：FFT圖）。

f) L12粒子的重構(gòu)IFFT圖像。g) BCC矩陣中核殼結(jié)構(gòu)NL粒子的BF-TEM圖像。

h) g)框框區(qū)域的HRTEM圖像。

i)核-殼結(jié)構(gòu)NL粒子的元素分布（殼結(jié)構(gòu)用青色箭頭表示）。

j, k) B2 （NM）和I，

m) gNi₃Ti （NS）粒子（插入：FFT圖案）的HRTEM和重構(gòu)IFFT圖像。

n) NM和NS粒子的元素分布。在相應(yīng)的FFT圖像中利用圈出的空間頻率重構(gòu)圖像。

圖3 Cr₃₀Fe₃₀Ni₃₀Al₅Ti₅鑄造MPEA與其他合金的單軸拉伸性能對(duì)比。

a) Cr₃₀Fe₃₀Ni₃₀Al₅Ti₅鑄造MPEA與具有FCC和FCC + BCC結(jié)構(gòu)的CrFeNi合金以及具有納米析出相的CrFeNiNb_0.158和（CrFeNi）₉₆Ti₄合金的拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

b) Cr₃₀Fe₃₀Ni₃₀Al₅Ti₅鑄造MPEA與在CrFeNi體系中進(jìn)行復(fù)雜多步熱處理的其他MPEA的σ_u和?_e比較。

c、d) Cr₃₀Fe₃₀Ni₃₀Al₅Ti₅鑄造MPEA與其他鑄造MPEA （IMC：金屬間化合物）的比較(c)σ_u和?_e和d) σ_u、?_e和?_y。

圖4斷口后Cr₃₀Fe₃₀Ni₃₀Al₅Ti₅鑄造MPEA的形貌及微納結(jié)構(gòu)。

a、b) a)側(cè)向和b)斷裂面宏觀到微觀的斷裂形態(tài)。c) SEM圖像及對(duì)應(yīng)的d)波段對(duì)比，

e)相位圖，f) IPF圖，g)斷裂后MPEA的KAM圖像。HAGB：高角度晶界。

h)變形FCC框架的BF-TEM圖像（插入：包含纏結(jié)位錯(cuò)區(qū)域的相應(yīng)FFT圖）。i)沿[10]方向的HRTEM圖像。

j) i)中被框區(qū)域的3個(gè)晶格位錯(cuò)的Burgers電路放大圖像。

k, l)變形BCC晶粒的BF-TEM圖像。m) L2₁粒子被微帶剪切的示意圖。

n) HRTEM圖像和o) BCC/g界面對(duì)應(yīng)的GPA應(yīng)變場(chǎng)（k中紅框框內(nèi)）。

n)中的插圖是BCC（上）和g（下）相的FFT圖像。p) HRTEM圖像，

q) BCC矩陣對(duì)應(yīng)的GPA應(yīng)變場(chǎng)（如圖1）中藍(lán)色方框所示)。

圖5分層非均質(zhì)結(jié)構(gòu)在鑄造MPEA中的演化和力學(xué)作用示意圖。

a)凝固過(guò)程中含有多尺度析出物的非均相組織的形成過(guò)程。

b) MPEA的變形機(jī)理示意圖及分層非均質(zhì)結(jié)構(gòu)在強(qiáng)化材料和局部應(yīng)變中的力學(xué)作用。第一階段：彈塑性變形；第二階段：塑性變形；第三階段：骨折損傷。

本研究設(shè)計(jì)并制造了一種多組分Cr₃₀Fe₃₀Ni₃₀Al₅Ti₅鑄造MPEA，該MPEA具有精心定制的層次非均質(zhì)結(jié)構(gòu)，包含微納米級(jí)析出物。主要成果如下：

(1)層次非均質(zhì)結(jié)構(gòu)使MPEA在鑄態(tài)時(shí)具有優(yōu)異的力學(xué)性能，其強(qiáng)度-塑性組合優(yōu)于其他多組分CrFeNi合金，即使經(jīng)過(guò)復(fù)雜的熱處理和其他鑄造MPEA。

(1)多尺度沉淀具有阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、促進(jìn)位錯(cuò)擴(kuò)散和堆積、形成大量位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)和層錯(cuò)的作用，在增強(qiáng)強(qiáng)度的同時(shí)具有良好的延性。

(2)本研究提供了一種設(shè)計(jì)高性能MPEA的新策略，使最終部件的直接鑄造成為可能，而不需要復(fù)雜的鍛造合金工藝。