導讀:本文采用粉末熱擠壓再退火法制備了一種由非再結晶和再結晶晶粒組成的雙相AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金。所得合金具有優異的抗拉性能，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變形誘導(HDI)應力導致AlCoCrFeNi2.1合金異常應變硬化。這項研究為通過雙相異質組織設計制造高性能結構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等結構應用中材料最關鍵的機械性能之一。不幸的是，這兩種性能通常是相互排斥的，被稱為強度-延性權衡。異質結構作為打破強度-延性悖論的有效手段，在材料科學領域迅速興起。異質結構材料是指具有非均質片層/層狀結構、雙峰結構、梯度結構、多相結構等體系結構的材料。這些非均質結構由硬域和軟域組成它們可以協同變形并產生增強的強度-延性協同作用。

近年來，一種名為“高熵合金”的新型合金設計范式引起了極大的關注。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合金的根本背離，將合金設計空間從相圖的角落轉移到更寬敞的中心區域，這為材料開發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構，因此具有實現優異力學性能的巨大潛力。為了進一步提高共晶高熵合金的力學性能，人們發展了熱機械處理以獲得非均相結構。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，熱擠壓工藝結合了熱壓實和機械加工，可以生產出用于商業應用的大尺寸部件，生產效率高，表面質量好。迄今為止，熱擠壓工藝已廣泛應用于純金屬、復合材料等粉末冶金加工。所制備的構件表現出充分致密的顯微組織和優異的力學性能。

在目前的工作中，廈門理工學院彭思遠博士聯合華南理工大學、美國馬薩諸塞大學和河海大學制備AlCoCrFeNi2.1 共晶高熵合金樣品通過粉末熱擠壓，然后退火工藝。退火態的AlCoCrFeNi2.1 共晶高熵合金試樣表現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合金如Al合金、Cu合金、Mg合金和Ti合金。

相關研究成果以“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)變形區位錯纏結。(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區域的暗場TEM圖像。(l)示B2區納米析出物。(m)為FCC區域的HRTEM圖像，插入圖像為相應的快速傅里葉變換(FFT)模式。(n)為FCC/B2區域接口。(o)顯示B2/BCC區域的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試樣的工程應力-應變曲線和(b)加工硬化率。(c)與鑄態和熱機械加工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拉伸應變過程中變形子結構演化。(a, e, i) EBSD IPF圖，(b, f, j) KAM圖和(c-d, g-h, k-l) TEM圖，拉伸應變為(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)真應力-應變曲線。(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應力與真應變的關系。

結論：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相的界面處發生了明顯的位錯纏結和堆積，位錯的多重作用使得應變硬化程度更高。其中，GNDs的積累產生的HDI硬化是主要的強化機制，導致了優異的應變硬化。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。這項工作為設計具有良好強度和延展性的先進結構材料提供了新的機會，可用于許多應用，包括航空航天，汽車，燃氣渦輪發動機和許多其他高附加值行業。