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金屬頂刊《Acta》：高溫性能再突破！開發(fā)L21-強(qiáng)化復(fù)雜成分合金！

2021-05-06 11:57:15 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

導(dǎo)讀：對(duì)于具有納米沉淀/基體組織的合金，兩相間的晶格相干性是決定合金高溫力學(xué)性能的重要因素。本文系統(tǒng)地研究了Al x Cr 13.3 Fe 71.5-x Ni 11.2 Ti 4（x = 8、10、12、14、16 at％）復(fù)雜成分合金，目的是增強(qiáng)BCC基體之間的晶格相干性和通過過改變Al含量來強(qiáng)化Al-Cr-Fe-Ni-Ti CCAs。隨著Al從8 at%增加到16 at%，界面結(jié)構(gòu)逐漸由半共格向全共格轉(zhuǎn)變，析出相尺寸減小，晶格失配減少，基體與析出相之間的彈性相互作用增強(qiáng)。由于Al的加入，析出相的晶格緊密度和結(jié)構(gòu)變形分別導(dǎo)致了有效的應(yīng)變傳遞和析出相的增強(qiáng)。Al16Cr13.3Fe55.5Ni11.2Ti4合金具有良好的屈服強(qiáng)度（400.8 MPa）和抗拉強(qiáng)度（572.9 MPa）的組合，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于以前報(bào)道的納米粒子強(qiáng)化合金，表明該合金在高溫結(jié)構(gòu)應(yīng)用方面具有很大的前景。

在Ni-、Co-和（FeNi）-基高溫合金體系中，普遍存在嵌在無序基體中的有序納米顆粒組成的獨(dú)特微觀結(jié)構(gòu)。由于其優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和抗蠕變性能，它們已被開發(fā)用于高溫承重應(yīng)用。一些商用鎳基高溫合金。以FCC-γ基體和長方體L12-γ‘納米顆粒為特征，即使在1100°C的高溫下也表現(xiàn)出明顯的蠕變抗力。高溫合金具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，這主要是由于大量共格y’納米相的析出硬化和固溶強(qiáng)化。其中γ相與γ′相間晶格失配較小（16 < 0.5%）的共格界面結(jié)構(gòu)是決定其微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和力學(xué)性能的關(guān)鍵因素，進(jìn)而影響了的高溫性能。

在析出相周圍形成的相干應(yīng)變場(chǎng)阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而提高了合金的強(qiáng)度和抗蠕變能力。析出相與基體間的相干程度取決于析出相的尺寸和晶格失配。半共格界面的發(fā)展導(dǎo)致共格應(yīng)變場(chǎng)的松弛和錯(cuò)配位錯(cuò)加速的管道擴(kuò)散，降低了合金的高溫蠕變抗力。由于這些原因，應(yīng)特別確保通過組合調(diào)整沉淀和基體之間適當(dāng)?shù)木Ц袷洹?/span>

近年來提出的復(fù)雜濃縮合金（CCAs）和高熵合金（HEAs）的概念使探索合金的大成分空間成為可能。總的來說，單相高熵合金在高溫下表現(xiàn)出較好的力學(xué)性能，這主要是由于晶格畸變效應(yīng)。如果將共格析出相引入基體，晶格畸變效應(yīng)可以進(jìn)一步增強(qiáng)，從而最大限度地提高高溫力學(xué)性能。在一些CCAs中，發(fā)現(xiàn)了由有序納米顆粒強(qiáng)化的類高溫合金組織，由于其與商業(yè)鎳基高溫合金具有相似的性能，因此有可能作為高溫結(jié)構(gòu)材料使用。

在此，韓國材料科學(xué)研究所Ka RamLim和Hye JungChang（通訊作者）團(tuán)隊(duì)通過改變Al含量，系統(tǒng)地設(shè)計(jì)了L21強(qiáng)化Al-Cr-Fe-Ni-Ti復(fù)雜成分合金。對(duì)于高溫應(yīng)用，控制L21析出相與BCC基體之間的界面結(jié)構(gòu)，使其具有增強(qiáng)的晶格相干性。發(fā)現(xiàn)隨著Al的加入，Al Cr13.3Fe71.5-xNi11.2Ti4 （x= 8,10,12,14,16 at%）合金中L21析出相與BCC基體之間的晶格錯(cuò)配逐漸減少。從晶格失配的角度，討論了析出相的形成機(jī)制（尺寸、數(shù)密度和體積分?jǐn)?shù)）。基于強(qiáng)化模型和位錯(cuò)結(jié)構(gòu)研究了材料在室溫和700℃下的變形行為。通過有效的共格強(qiáng)化和應(yīng)變轉(zhuǎn)移，得到了具有共格L21納米顆粒的Al16Cr13.3Fe55.5Ni11.2Ti4合金具有良好的抗拉強(qiáng)度和應(yīng)變硬化性能。相關(guān)研究成果以題“Designing L21 strengthened Al-Cr-Fe-Ni-Ti complex concentrated alloys for high temperature applications”發(fā)表在金屬頂刊Acta materialia上

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116890

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對(duì)所有合金試樣進(jìn)行1200℃均勻化處理，然后在空氣中冷卻。在冷卻過程中，主要的L21納米沉淀物在BCC基體中迅速形成。此外，在較低的冷卻溫度下形成了細(xì)粒奈米顆粒。隨著Al含量的增加，BCC基體與初生L21相之間的晶格錯(cuò)配減小，從而降低了成核壘和臨界核尺寸。因此，初生L21析出相的平均尺寸和數(shù)量密度分別減小和增大。此外，根據(jù)成分杠桿法則估算的L21初生析出相體積分?jǐn)?shù)從8Al合金的19.8%不斷增加到16Al合金的30.1%。

圖1。Al x Cr 13.3 Fe 71.5-x Ni 11.2 Ti 4（at％）合金在1200°C均質(zhì)處理6小時(shí)后的BSE-SEM圖像：（a）x = 8，（b）x = 10，（c ）x = 12，（d）x = 14，（e）x = 16。

圖2所示。Al,Cr133Fe715Ni11 2Ti4 （at%）合金在1200℃均勻化6小時(shí)后的DF-TEM圖像和相應(yīng)的SADPs: （a） x-8，（b） x-10，（C） x-12，（d） x=14，（e） x=16。（f）主要L2析出相的平均尺寸數(shù)密度（n）和體積分?jǐn)?shù)（V）隨Al含量的變化。這里的平均尺寸指的是析出相的寬度。

隨著合金Al含量的增加，L21析出相的晶格收縮，而BCC基體的晶格膨脹，因此。晶格失配減小。這一趨勢(shì)是由于兩相組成元素的原子半徑不同所致。原子半徑依次減小：Ti >Al> Fe>Ni。當(dāng)Al取代基體中的Fe和Ni時(shí)，析出相中的Ti亞晶格被Al和Fe占據(jù)。此外，Al濃度的增加會(huì)導(dǎo)致價(jià)電子數(shù)的減少，從而導(dǎo)致電子結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定。結(jié)果，Al的加入導(dǎo)致了析出相的變形，這被稱為帶型Jahn-Teller效應(yīng)，從而導(dǎo)致了各向異性晶格失配。

圖3。Al 16 Cr 13.3 Fe 55.5 Ni 11.2 Ti 4（at％）合金的APT結(jié)果顯示BCC基體和L2 1中的元素分布：（a）Al，（b）Ni，（c）Ti，（d）Cr，（e）鐵（f）基于兩相化學(xué)成分的Al x Cr 13.3 Fe 71.5-x Ni 11.2 Ti 4（x = 8、10、12、14和16 at％）合金的杠桿規(guī)則圖。

圖5。具有FFT模式的HAADF-STEM圖像（插入），具有對(duì)應(yīng)的布拉格濾波圖像的HR-STEM圖像（插入），這些圖像是從主圖像的平面和拐角區(qū)域獲得的

在（ac）Al 8 Cr 13.3 Fe 63.5 Ni 11.2 Ti 4（at％），（df）Al 12 Cr 13.3 Fe 59.5 Ni 11.2 Ti 4（at％）和（gi）Al 16 Cr 13.3 Fe 55.5 Ni 11.2中析出Ti 4（at％）合金。從編號(hào)的正方形獲取的插圖經(jīng)過Bragg濾波的圖像顯示了位錯(cuò)叉狀晶格。但是（h）HRSTEM圖像和（i）相應(yīng)的Al 16 Cr 13.3 Fe 55.5 Ni 11.2中沉淀物的布拉格濾波圖像Ti 4 （at％）合金顯示出完全相干的界面結(jié)構(gòu)。

隨著Al的增加，合金的室溫抗壓屈服強(qiáng)度從1070.3 MPa （8Al）逐漸增加到1427.0 MPa （16Al），根據(jù)強(qiáng)化模型發(fā)現(xiàn)，屈服強(qiáng)度的增加主要是固溶強(qiáng)化和沉淀硬化效應(yīng)所致。當(dāng)析出相尺寸較大、共凝聚度較低，即Al含量較低時(shí)，Orowan位錯(cuò)環(huán)是主要的強(qiáng)化機(jī)制。然而，當(dāng)析出相尺寸較小且共格程度高時(shí)，即Al含量高的合金，共格強(qiáng)化是主要的強(qiáng)化機(jī)制。

圖6所示。 AlxCr13.3Fe71.5-xNi11.2Ti4 （x= 8,10,12,14,16 at%）合金在（a）室溫壓縮實(shí)驗(yàn)和（b） 700℃拉伸實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（c） 700 c時(shí)不同納米顆粒強(qiáng)化HEAs的屈服強(qiáng)度圖，

圖7所示。（a）析出相周圍基體上的應(yīng)變分量。（c d） AlgCr13.3Fe63.5Ni11 2Ti，（at%），（e-f） Al2Cr133Fes9,5Ni11.2Ti （at%），（g-h） Al16Cr133Fe55 sn2等21個(gè)析出相的應(yīng)變圖。

圖8 Al,Cr133Fe71.5在室溫下通過析出硬化增加了屈服強(qiáng)度。AlxCr13.3Fe71.5-xNi11.2Ti4 （at%）合金相對(duì)析出相平均半徑為：（a） x=8，（b） x=10，（c） x=12，（d） x=14，（e） x-16。根據(jù)方程計(jì)算了相干強(qiáng)化和Orowan位錯(cuò)環(huán)化的曲線。（9） -（12）。圖中星形符號(hào)表示沉淀硬化對(duì)試驗(yàn)強(qiáng)度的影響

在高溫拉伸試驗(yàn)中，隨著Al含量的增加，合金的屈服強(qiáng)度的增加趨勢(shì)得到進(jìn)一步增強(qiáng)。在研究的合金中，值得注意的是，由于其出色的加工硬化能力，16Al表現(xiàn)出屈服強(qiáng)度（？400.8 MPa）和極限拉伸強(qiáng)度（？572.9 MPa）的優(yōu)異組合。這些值大大高于先前報(bào)道的納米沉淀強(qiáng)化的HEA的值。這些結(jié)果歸因于從基體到析出物的有效應(yīng)變轉(zhuǎn)移，這是由于晶格相干度更高而產(chǎn)生的，并且由于四方晶格畸變提高了析出物的固有強(qiáng)度。

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