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材料頂刊《Scripta Materialia》：通過超聲細化共晶結構增強高熵鐵合金的強度和延展性

2022-12-05 15:09:10 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

AlCoCrFeNi_2.1、Al_0.9CoFeNi₂和Al_0.7CoCrFeNi等具有共晶結構的高熵合金，因其優異的力學性能而受到廣泛關注。為了進一步優化結構和性能，采用了多種方法和途徑。例如，Wu等人采用多次冷軋退火，使Ni₃₀Co₃₀Cr₁₀Fe₁₀Al₁₈W₂合金充分釋放應變硬化能力，表現出優異的拉伸性能。Wani等人量身定制了AlCoCrFeNi_2.1的異質結構，通過冷軋制造了線路缺陷，顯著增強了強度。然而，這些策略都是基于固態加工，很少有關注液固之間的轉變來調節微觀結構和提高力學性能的報道。這極大地限制了高熵合金鑄件的發展和應用潛力。

超聲凝固作為一種高效、環保的加工技術，有著悠久的歷史，已廣泛應用于鋁合金和鎂合金的科研和工業生產中。當超聲波在合金熔體中傳播時，會引起空化效應、聲流和機械振動，從而細化合金的晶粒尺寸，調節合金的形態并提高合金的物理性能。已有研究表明，超聲波顯著改變了Sn-Pb和Al-Si共晶合金的成核和生長特性，也可以合理推測超聲可以調節高熵合金的共晶微觀結構。然而，由于高熵合金的液相線溫度較高，超聲波凝固的研究很少，給其應用帶來了技術障礙。

在這項工作中，西北工業大學王建元教授團隊選擇具有共晶結構的高熵FeCoNi₂Al_0.9合金作為研究對象，在這種液體溫度高達1673 K的合金上成功應用了不同振幅的20 kHz超聲，詳細研究了在不同超聲條件下共晶的演變和力學性能。討論了超聲場作用下的動態凝固機理。相關研究成果以題“Strength and ductility enhancement of high-entropy FeCoNi₂Al_0.9 alloy by ultrasonically refining eutectic structures”發表在Scripta Materialia上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646222006492

圖1

高熵FeCoNi₂Al_0.9合金的熱分析與相組成

(a) DSC曲線;(b) XRD譜圖;(c)動態凝固時間與超聲振幅的關系;(d)振幅為13 μm的超聲凝固聲強變化。

圖2

不同凝固條件下高熵FeCoNi₂Al_0.9合金的微觀結構特征

(a)靜態凝固過程中共晶結構的BSE圖像;(b) 13 μm振幅超聲場生長的共晶結構的BSE圖像;(c)共晶結構特征尺寸與超聲振幅的關系;(d)超聲振幅為13 μm的靜態試樣和超聲試樣中α和γ相的晶格常數。

圖3

不同凝固條件下高熵FeCoNi₂Al_0.9合金的晶體方位

(a)靜態凝固的EBSD相位映射;(b)靜態凝固合金中共晶界面的極點圖和取向偏差分布;

圖4

高熵FeCoNi₂Al_0.9合金共晶結構中的溶質分布剖面

(a)靜態凝固合金中的線掃描;(b)動態凝固合金在13 μm振幅超聲場中的線掃描;(c)靜態和超聲凝固后的最大和最小濃度;(d)靜態凝固和超聲凝固合金的偏析度。

圖5

靜態和超聲條件下凝固的高熵FeCoNi₂Al_0.9合金的力學性能

(a)拉伸應力-應變曲線;(b)屈服強度、極限強度和延伸率隨超聲振幅變化而變化的規律;(c)本研究和文獻中共晶結構鑄造高熵合金的屈服強度-總伸長率圖;(d)該合金與其他具有共晶結構的靜態高熵合金的極限抗拉強度比較。

綜上所述，將功率超聲應用于高熵FeCoNi₂Al_0.9合金的凝固過程中。凝固組織由L1₂和B2共晶相組成，其晶格常數在超聲作用下明顯增加。隨著超聲幅值的增大，共晶結構隨排列層狀共晶體積分數的增加而顯著細化，共晶相間的相干度顯著增強。超聲還促進了共晶生長中溶質的擴散，抑制了L1₂和B2的微偏析穩態空化和聲流是調節共晶組織演變的主要因素。該合金的屈服強度、極限強度和總伸長率同時提高，其最大值分別提高了23%、21%和19%。結果表明，超聲凝固是改善共晶組織高熵合金力學性能的有效途徑。

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