在過去的幾十年中，多主元合金（MPEAs）或多組分合金，通常以中到高的構型熵為特征，因其多樣且優異的性能而成為傳統金屬材料在結構應用中的極具前景的替代品。迄今為止，通過復雜的熱機械加工，一些MPEAs已經解決了強度和延展性之間的矛盾。例如，Co34.46Cr32.12Ni27.42Al3.00Ti3.00、FeCo0.8V0.2、Al0.2CoNiV、Fe58.98Ni31.70Al6.00Ti3.00Zr0.10C0.20B0.02、Al0.5Cr0.9FeNi2.5V0.2和AlCoCrFeNi2.1合金。Fan等人設計了一種Ni32.8Fe21.9Co21.9Cr10.9Al7.5Ti5.0 MPEA，具有一致的納米層狀結構，表現出超過2 GPa的屈服強度和16%的均勻拉伸延展性。MPEAs的持續進展突顯了其作為下一代超強且延展性材料在結構應用中的潛力。總體而言，MPEAs的顯著機械性能依賴于四個核心強化機制，即固溶強化、晶粒細化強化、第二相強化和加工硬化。其中，第二相強化機制在提高拉伸載荷下的強度方面表現出特別高的有效性。通過操控合金成分和優化熱機械處理，可以在飽和固溶基體中引入亞微米至納米級析出物，以促進變形過程中的位錯堆積和增殖。

與包括MPEAs在內的人造合金相比，自然界進化的生物材料通常在多個長度尺度上表現出大的成分和結構異質性。一個典型的例子是皮質骨，其中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膠原纖維。纖維進一步組裝形成纖維（直徑約1 μm）、層板（厚度約5 μm）和骨單位（直徑約200 μm），這些結構特征在多個長度尺度上協同作用以增強和增韌。這種分層異質結構賦予生物材料在不同區域和長度尺度上產生良好的強度和斷裂韌性組合。最近的研究表明，引入類似的分層異質性在提高應變硬化和促進金屬和合金的均勻拉伸延展性方面具有良好的有效性。在這種情況下，熱機械加工（如均質化、熱軋、熱鍛、熱擠壓、退火和時效）已被證明是一種構建此類結構的可行方法，以觸發一種或多種強化機制，從而規避強度-延展性權衡。然而，現有的在MPEAs中創建分層異質性的策略通常涉及復雜且耗時的多階段熱機械處理。相比之下，直接鑄造無需后續變形加工，通過實現復雜形狀部件的成本效益高的批量生產，展示了獨特的優勢。然而，鑄態MPEAs在拉伸中通常表現出高強度但低延展性，或反之亦然。因此，如何在不采用復雜熱機械加工的情況下，通過直接鑄造開發高性能MPEAs仍然是一個挑戰。

在本研究中，通過用廉價的Fe替代昂貴的Co，并同時在CrFeNi系統中引入Al和Ti元素，成功解決了上述問題。基于系統的熱力學計算對相形成的評估，優化了5 at.% Al和5 at.% Ti添加的合金成分，以在合金中構建分層異質結構，其中包括在FCC基體內形成一致的L12納米顆粒以及在BCC晶粒內析出多層次顆粒。通過制造的Cr30Fe30Ni30Al5Ti5鑄造MPEA（1R < 混合熵（ΔSmix = 1.38R）< 1.5R）驗證了這種設計策略，由于位錯與多尺度析出物之間的協同作用，提供了卓越的強度-延展性組合。進一步研究了結構和變形行為的細節，以闡明微觀結構的形成和強化/延展機制。

圖文導讀

圖1 Cr30Fe30Ni30Al5Ti5鑄造多主元合金的成分設計與相分析。a-c) 相形成與計算熱力學參數的關系：a) VEC與δ的關系，b) Ω與δ的關系，以及c) ΔHmix與δ的關系，在(CrFeNi)100-x-yAlxTiy合金中。d, e) VEC、ΔHmix及相組成對(CrFeNi)100-xAlx和(CrFeNi)100-xTix合金中Al或Ti含量的依賴性。f) Cr30Fe30Ni30Al5Ti5多主元合金的計算平衡相圖，展示了相體積分數與溫度的關系。

圖2. Cr30Fe30Ni30Al5Ti5鑄造多主元合金的分層異質結構。a-d) 隨著放大倍數的增加，顯示MPEA的復合結構及BCC區域內的分層沉淀物的SEM和明場(BF)透射電子顯微鏡(TEM)圖像。e) FCC區域的高分辨率透射電子顯微鏡(HRTEM)圖像（插圖：快速傅里葉變換(FFT)模式）。f) L12顆粒的重建逆傅里葉變換(IFFT)圖像。g) BCC基體中核心-殼結構NL顆粒的BF-TEM圖像（插圖：沿[100]和[110]區軸的選區電子衍射(SAED)模式）。h) g)中框選區域的HRTEM圖像（插圖：BCC基體、η-Ni3Ti殼和L21核心的FFT模式）。i) 核心-殼結構NL顆粒的元素分布（殼結構由青色箭頭指示）。j-m) j, k) B2 (NM)和l, m) η-Ni3Ti (NS)顆粒的HRTEM和重建IFFT圖像（插圖：FFT模式）。n) NM和NS顆粒的元素分布。IFFT圖像是使用其對應FFT圖像中的圈定空間頻率重建的。

圖3. Cr30Fe30Ni30Al5Ti5鑄造MPEA的單軸拉伸性能與其他合金的比較。a) Cr30Fe30Ni30Al5Ti5鑄造MPEA與具有FCC和FCC + BCC結構的CrFeNi合金的拉伸工程應力-應變曲線，以及含有納米沉淀物的CrFeNiNb0.158和(CrFeNi)96Ti4合金的比較。b) Cr30Fe30Ni30Al5Ti5鑄造MPEA與在CrFeNi體系中經過復雜多步熱機械處理的其他MPEA的σu與εe的比較。c，d) c) Cr30Fe30Ni30Al5Ti5鑄造MPEA與其他鑄造MPEA（IMC：金屬間化合物）的σu與εe的比較，以及d) σu × εe與σy的比較。

圖4. Cr30Fe30Ni30Al5Ti5鑄造多主元合金在斷裂后的形態及微米至納米級結構。a, b) a) 側面和b) 斷裂表面的宏觀至微觀斷裂形態。c) 斷裂后多主元合金的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像及相應的d) 帶對比度圖，e) 相圖，f) 取向分布函數(IPF)圖和g) 關鍵區角度分布(KAM)圖。HAGB: 高角度晶界。h) 變形面心立方(FCC)框架的透射電子顯微鏡(BF-TEM)圖像（插圖：包含纏繞位錯區域的相應快速傅里葉變換(FFT)模式）。i) 沿[110]方向拍攝的高分辨率透射電子顯微鏡(HRTEM)圖像。j) i) 中框定區域的放大圖，顯示3個晶格位錯的伯杰斯回路。k, l) 變形體心立方(BCC)晶粒的BF-TEM圖像。m) 微帶剪切L21顆粒的示意圖。n) HRTEM圖像及o) BCC/η界面處的相應廣義位移場(GPA)應變場（由k)中的紅框框定）。n) 中的插圖為BCC（上）和η（下）相的FFT圖像。p) HRTEM圖像及q) BCC基體的相應GPA應變場（由l)中的藍框框定）。

圖5. 示意圖展示了鑄造多主元合金中分層異質結構的演變及其機械作用。a) 在固化過程中形成包含多尺度析出物的異質結構的過程。b) MPEA的變形機制示意圖以及分層異質結構在增強材料和分散應變中的機械作用。階段I：彈性-塑性變形；階段II：塑性變形；階段III：損傷至斷裂。

結論

本研究設計并制造了一種多組分Cr30Fe30Ni30Al5Ti5鑄造多主元合金（MPEA），其具有經過精心調控的分層異質結構，涉及微米到納米級的析出物。這種結構賦予了MPEA在鑄造狀態下卓越的機械性能，其強度-延展性組合超過了其他多組分CrFeNi合金，即使經過復雜的熱機械處理和其他鑄造MPEA。多尺度析出物在阻礙位錯運動、促進位錯增殖和堆積以及誘導大規模位錯網絡和堆垛缺陷方面發揮了重要作用，從而顯著增強了強度，同時有助于良好的延展性。本研究為設計高性能MPEA提供了一種新策略，使得最終組件能夠直接鑄造，而無需復雜的加工工藝，這在鍛造合金中是必需的。這項研究進一步有助于理解此類異質結構材料中的塑性變形。

文獻鏈接

Materials Today：Exceptional strength-ductility synergy in a casting multi-principal element alloy with a hierarchically heterogeneous structure

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2024.10.009