引言

利用傳統(tǒng)的合金設(shè)計(jì)概念尋找有用材料時(shí)，人們通常關(guān)注相圖的邊緣區(qū)域。近年來，具有等原子或近等原子濃度的單相高熵合金作為一類新型結(jié)構(gòu)材料，迅速引起了人們的廣泛關(guān)注，研究人員開始關(guān)注相圖的中間區(qū)域。一些面心立方結(jié)構(gòu)的單相高熵合金表現(xiàn)出優(yōu)異的抗輻射能力和出色的低溫機(jī)械性能，因此在極端環(huán)境下的工程應(yīng)用中，有著廣闊的應(yīng)用前景。

成果簡(jiǎn)介

近日，香港城市大學(xué)的 KAI Ji-jung （ 開執(zhí)中 ） 教授、Y.Tong 博士和日本東北大學(xué)的 Y.Shimizu 副教授合作，在Acta Materialia 上發(fā)表了題為“Outstanding tensile properties ofa precipitation-strengthened FeCoNiCrTi 0.2 high-entropy alloy atroom and cryogenic temperatures”的文章。根據(jù)文章報(bào)道，F(xiàn)eCoNiCrTi 0.2 高熵合金在兩種相同成分且相連的納米析出相的作用下，得到強(qiáng)化。該工作研究了析出強(qiáng)化的 FeCoNiCrTi 0.2 高熵合金在室溫和低溫下的拉伸性質(zhì)，以及相應(yīng)的缺陷結(jié)構(gòu)演化，所得結(jié)論為通過析出強(qiáng)化和孿晶 / 堆垛層錯(cuò)相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)用于低溫環(huán)境的高熵合金提供了指導(dǎo)。

圖文導(dǎo)讀

圖1：不同狀態(tài)下FeCoNiCrTi 0.2 高熵合金的結(jié)構(gòu)和形貌表征

（a） 時(shí)效后的 FeCoNiCrTi 0.2 高熵合金的 XRD 圖樣；（b） 時(shí)效后的 FeCoNiCrTi 0.2 高熵合金的 EBSD 圖像；（c） 腐蝕后的 FeCoNiCrTi 0.2 高熵合金二次電子圖像；（d） 腐蝕后的 FeCoNiCrTi 0.2 高熵合金二次電子圖像，內(nèi)插圖為白色區(qū)域的薄層狀偏析物。

圖2：薄層狀偏析物的結(jié)構(gòu)和形貌表征

（a） 不同取向的兩個(gè)相鄰晶粒中偏析物的明場(chǎng) TEM 圖像；（b） 圖 （a） 中紅色圓圈內(nèi)區(qū)域的 SAED 圖樣，電子束方向平行于 [011] 晶帶軸；（c,e,g）沿[011]晶帶軸分布的薄層狀偏析物的HRTEM圖像；（d,f,h）沿[011]晶帶軸分布的薄層狀偏析物的SAED圖像；（i） 某一薄層狀偏析物的高分辨 HAADF 圖像。

圖3：薄層狀偏析物區(qū)域的STEM圖像和相應(yīng)的STEM-EDX元素分布

圖4：每種元素的原子分布及整體的原子分布圖，APT樣品是選自接近晶界且?guī)в斜訝钇鑫锏膮^(qū)域

圖5：球形偏析物內(nèi)元素分布及尺寸分布情況

（a） 含有球形偏析物的晶粒中，每種元素的原子分布圖；（b） 含 40at%Ni 時(shí)繪制的等濃度表面；（c） 穿過某一基體 / 顆粒界面的所有元素濃度；（d） 球形偏析物的尺寸分布。

圖6：沿[011]晶帶軸的偏析物的形貌和結(jié)構(gòu)表征

（a） 遠(yuǎn)離晶界附近薄層狀偏析物的晶粒內(nèi)部的 SAED 圖樣；（b） 晶粒內(nèi)基體和顆粒的 HRTEM 圖像；（c） 圖 （b） 中高亮區(qū)域內(nèi)顆粒的快速傅里葉變換圖像 ;（d） 圖 （b） 中高亮區(qū)域內(nèi)基體的快速傅里葉變換圖像。

圖7：樣品力學(xué)性能測(cè)試

（a）Ti 高熵合金在 293K 和 77K 時(shí)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線；（b） 真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線和相應(yīng)的應(yīng)變強(qiáng)化速率隨真實(shí)應(yīng)變變化情況。

圖8：時(shí)效后FeCoNiCrTi 0.2 高熵合金的拉伸性能。

（a,b）293K溫度下時(shí)效后的FeCoNiCrTi 0.2高熵合金和中熵合金 / 高熵合金固溶體以及析出強(qiáng)化的 FeCoNiCr 高熵合金拉伸性能的比較；（c,d）77K溫度下，時(shí)效后的FeCoNiCrTi 0.2高熵合金和中熵合金 / 高熵合金固溶體以及析出強(qiáng)化的 FeCoNiCr 高熵合金拉伸性能的比較。

圖9：樣品的斷口形貌表征

（a,b） 293K 溫度下，Ti 高熵合金樣品形變后的斷裂表面；（c,d）77K 溫度下，Ti 高熵合金樣品形變后的斷裂表面 ,（d） 圖中的箭頭表示極小韌窩形成的團(tuán)簇。

圖10：晶粒中的缺陷形貌表征

（a）293K 下形變的 Ti 高熵合金的不同晶粒中位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的明場(chǎng) TEM 圖像；（b）293K 下形變的 Ti 高熵合金的不同晶粒中堆垛層錯(cuò)的明場(chǎng) TEM 圖像；（c）圖（b）中高亮區(qū)域的HRTEM圖像。

圖11 低溫（77K）下Ti高熵合金形變后的微觀形貌表征

（a-c） 真實(shí)應(yīng)變依次約為 2.5%、10%、36% 的 Ti- 高熵合金樣品形變后位錯(cuò)結(jié)構(gòu)和堆垛層錯(cuò)的明場(chǎng) TEM 圖像；（d）圖（c）中藍(lán)色區(qū)域的HRTEM圖像。

圖12：低溫(77K)形變后的Ti高熵合金中薄層狀區(qū)域

的STEM圖像(a)和相應(yīng)的TEM-EDX分布圖(b-f)

小結(jié)

該工作制備得到一種 L12 結(jié)構(gòu)、（Ni,Co） 3 Ti 型、析出強(qiáng)化的 FeCoNiCrTi 0.2高熵合金，并通過 X 射線衍射，掃描電鏡，原子探針技術(shù)和透射電鏡相結(jié)合的方式對(duì)樣品的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。進(jìn)一步用透射電鏡對(duì)樣品的室溫 （293K）和液氦溫度 （77K） 的拉伸性能以及相應(yīng)的缺陷結(jié)構(gòu)演化展開研究。給予該工作的觀察可得到以下結(jié)論：

（a） 在 1073K 時(shí)效 1h 以后，薄層狀和球狀偏析物分別以異質(zhì)形核和均勻形核的方式在晶界附近和晶粒內(nèi)部形成。這兩類偏析物的成分相同，但薄層狀偏析物具有長(zhǎng)程堆垛有序結(jié)構(gòu)（long-periodstacking ordered），如 15R，12R 和 4H，且化學(xué)無序，但納米顆粒是有序的 L12結(jié)構(gòu) γ‘相。

（b） 和單相的 FeCoNiCr 高熵合金比較，析出強(qiáng)化型 2 高熵合金的屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度有了顯著提高，但韌性并沒有下降。和單相的 FeCoNiCr 高熵合金類似，析出強(qiáng)化的 FeCoNiCrTi 0.2 高熵合金表現(xiàn)出很強(qiáng)的溫度依賴性。當(dāng)溫度從 293K 下降到 77K 時(shí)，屈服強(qiáng)度由700MPa 增至 860MPa，極限抗拉強(qiáng)度由1.24GPa 增至 1.58GPa，韌性提升值由36% 增至 46%。

（c） 當(dāng)溫度由 293K 降溫至 77K，形變機(jī)制由位錯(cuò)主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)槎讯鈱渝e(cuò)控制模式，表明隨溫度下降堆垛層錯(cuò)能降低。293K 時(shí)，析出強(qiáng)化型 FeCoNiCrTi 0.2 高熵合金發(fā)生形變直至斷裂主要發(fā)生于平面位錯(cuò)滑移，伴隨著少量堆垛層錯(cuò)產(chǎn)生。77K 時(shí)，多層堆垛層錯(cuò)形成一束，層狀堆垛層錯(cuò)在拉伸形變過程中形成，引發(fā)動(dòng)力學(xué) Hall-Petch 效應(yīng)。

（d） 不同于單相的 FeCoNiCr 高熵合金，77K 形變并時(shí)效后的 FeCoNiCrTi 0.2 高熵合金中，γ'- 析出強(qiáng)化區(qū)域幾乎不產(chǎn)生孿生，表明孿晶形核被 γ’相納米顆粒阻礙。然而，在被化學(xué)無序的薄層狀偏析物強(qiáng)化的區(qū)域觀察到顯微孿晶（microtwins），表明 γ‘相納米顆粒的化學(xué)有序度隨著孿晶形核能壘顯著增加。

文獻(xiàn)鏈接：

Outstanding tensile properties of a precipitation-strengthened FeCoNiCrTi0.2 high-entropy alloy at roomand cryogenic temperatures （Acta Mater., 2018, DOI:10.1016/j.actamat.2018.11.049）