導(dǎo)讀:本文采用粉末熱擠壓再退火法制備了一種由非再結(jié)晶和再結(jié)晶晶粒組成的雙相AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金。所得合金具有優(yōu)異的抗拉性能，屈服強度為~ 1.2 GPa，極限抗拉強度為~ 1.5 GPa，均勻伸長率為~ 18%。這種多尺度顯微組織通過激活顯著的異質(zhì)變形誘導(dǎo)(HDI)應(yīng)力導(dǎo)致AlCoCrFeNi2.1合金異常應(yīng)變硬化。這項研究為通過雙相異質(zhì)組織設(shè)計制造高性能結(jié)構(gòu)材料提供了一種有效的方法。

強度和延展性是交通運輸、航空航天和先進能源系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)應(yīng)用中材料最關(guān)鍵的機械性能之一。不幸的是，這兩種性能通常是相互排斥的，被稱為強度-延性權(quán)衡。異質(zhì)結(jié)構(gòu)作為打破強度-延性悖論的有效手段，在材料科學(xué)領(lǐng)域迅速興起。異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料是指具有非均質(zhì)片層/層狀結(jié)構(gòu)、雙峰結(jié)構(gòu)、梯度結(jié)構(gòu)、多相結(jié)構(gòu)等體系結(jié)構(gòu)的材料。這些非均質(zhì)結(jié)構(gòu)由硬域和軟域組成它們可以協(xié)同變形并產(chǎn)生增強的強度-延性協(xié)同作用。

近年來，一種名為“高熵合金”的新型合金設(shè)計范式引起了極大的關(guān)注。高熵合金通常含有接近等原子比例的五種或更多不同元素的高濃度。這種與基于一種主要金屬元素的傳統(tǒng)合金的根本背離，將合金設(shè)計空間從相圖的角落轉(zhuǎn)移到更寬敞的中心區(qū)域，這為材料開發(fā)開辟了一個新的舞臺。在高熵合金中，共晶高熵合金是一類很有前途的材料，它可以形成雙相片層微觀結(jié)構(gòu)，因此具有實現(xiàn)優(yōu)異力學(xué)性能的巨大潛力。為了進一步提高共晶高熵合金的力學(xué)性能，人們發(fā)展了熱機械處理以獲得非均相結(jié)構(gòu)。然而，這些用滾壓法加工的高熵合金通常有一個固有的限制，即只能制備幾百微米厚度的帶狀樣品。與冷軋方法相比，熱擠壓工藝結(jié)合了熱壓實和機械加工，可以生產(chǎn)出用于商業(yè)應(yīng)用的大尺寸部件，生產(chǎn)效率高，表面質(zhì)量好。迄今為止，熱擠壓工藝已廣泛應(yīng)用于純金屬、復(fù)合材料等粉末冶金加工。所制備的構(gòu)件表現(xiàn)出充分致密的顯微組織和優(yōu)異的力學(xué)性能。

在目前的工作中，廈門理工學(xué)院彭思遠博士聯(lián)合華南理工大學(xué)、美國馬薩諸塞大學(xué)和河海大學(xué)制備AlCoCrFeNi2.1 共晶高熵合金樣品通過粉末熱擠壓，然后退火工藝。退火態(tài)的AlCoCrFeNi2.1 共晶高熵合金試樣表現(xiàn)出非均勻的顯微組織，具有1182± 15 MPa的高屈服強度和17.5± 1.1%的大的均勻延伸率的優(yōu)異組合，遠遠超過其他熱機械加工的AlCoCrFeNi2.1 共晶高熵合金和常規(guī)合金如Al合金、Cu合金、Mg合金和Ti合金。

相關(guān)研究成果以“High strength and ductility in a dual-phase hetero-structured AlCoCrFeNi2.1 eutectic high-entropy alloy by powder metallurgy”發(fā)表在Materials Research Letters上

鏈接：https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/21663831.2024.2332608 

圖1 (a)擠壓后的棒材。EBSD (b, g, l) IPF圖，(c, h, m)相圖，(d, i, n) KAM圖，(e, j, o)再結(jié)晶圖，(f, k, p)晶粒尺寸顯示了(b - f) AE、(g - k) AE-400和(l - p) AE-A600樣品的晶粒取向、相組成、位錯分布、再結(jié)晶行為和晶粒尺寸。這些EBSD地圖使用(b)中相同的比例尺。

圖2 AE (a-g)和AE-A600 (h-o)樣品的TEM顯微圖。(a)顯示AE樣品中的退火孿晶和位錯。(b) FCC相和B2相的亮場TEM圖像(分別用紅點和綠點表示)。(c)變形區(qū)位錯纏結(jié)。(d)和(e)為AE樣品中FCC和B2相的SAED模式。(f)和(g)分別為FCC相和B2相的HRTEM圖像。(h)為AE-A600樣品的TEM圖像，(i)和(j)分別為AE-A600樣品中FCC相和B2相的黃色圓圈表示的超晶格SAED模式。(k)為FCC區(qū)域的暗場TEM圖像。(l)示B2區(qū)納米析出物。(m)為FCC區(qū)域的HRTEM圖像，插入圖像為相應(yīng)的快速傅里葉變換(FFT)模式。(n)為FCC/B2區(qū)域接口。(o)顯示B2/BCC區(qū)域的tem映射。

圖3 粉末熱擠壓AlCoCrFeNi2.1合金的拉伸性能。(a) AE、AE-A400和AE-A600試樣的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線和(b)加工硬化率。(c)與鑄態(tài)和熱機械加工AlCoCrFeNi2.1合金相比，我們的AlCoCrFeNi2.1合金的極限抗拉強度與均勻伸長率。(d)與其他粉末熱擠壓合金相比，AlCoCrFeNi2.1合金的極限抗拉強度與均勻伸長率。

圖4 AE-A600拉伸應(yīng)變過程中變形子結(jié)構(gòu)演化。(a, e, i) EBSD IPF圖，(b, f, j) KAM圖和(c-d, g-h, k-l) TEM圖，拉伸應(yīng)變?yōu)?a - d) 2.5%， (e - h) 5%， (i - l) 13%。TEM圖像中的白色虛線表示FCC/B2相邊界。

圖5 (a) AE、AE- a400和AE- a600試樣的加載-卸載-再加載(LUR)真應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(b)顯示遲滯回線的代表性LUR周期。(c) AE、AE- a400和AE- a600試樣拉伸變形時的HDI應(yīng)力與真應(yīng)變的關(guān)系。

結(jié)論：本研究通過粉末熱擠壓后退火處理，成功制備了具有雙相異質(zhì)組織的AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金。由于相界的阻隔作用，在FCC相和B2相的界面處發(fā)生了明顯的位錯纏結(jié)和堆積，位錯的多重作用使得應(yīng)變硬化程度更高。其中，GNDs的積累產(chǎn)生的HDI硬化是主要的強化機制，導(dǎo)致了優(yōu)異的應(yīng)變硬化。AE-A600試樣屈服強度高的主要原因是FCC相和B2相中的晶粒細化和納米析出。這項工作為設(shè)計具有良好強度和延展性的先進結(jié)構(gòu)材料提供了新的機會，可用于許多應(yīng)用，包括航空航天，汽車，燃氣渦輪發(fā)動機和許多其他高附加值行業(yè)。