金属顶刊Acta Materialia：通过纳米共沉淀和异质结构工程实现双相高熵合金在高温下卓越的力学性能

研究背景

高熵合金（HEAs）是一类包含四种或更多主要元素的新型合金，因其复杂的元素间相互作用而展现出独特的结构和性能。这些合金因其高熵效应和缓慢的扩散特性，在高温下表现出卓越的热稳定性，成为高温结构应用的有力候选材料。特别是共晶高熵合金（EHEAs），由于其原位形成的复合结构和近平衡特性，受到了广泛关注。然而，这些合金在高温下通常会出现明显的软化现象，限制了它们在高温结构应用中的潜力。因此，寻找一种有效的方法来提高EHEAs在高温下的强度，同时不显著降低室温下的塑性，是一个迫切需要解决的挑战。

成果简介

在这项研究中，研究人员通过在Al-Co-Cr-Fe-Ni EHEA中添加Nb元素，显著提高了合金在室温和高温下的力学性能。他们发现，Nb的添加不仅促进了FCC相中L12纳米沉淀相的形成，还诱导了B2相中α'和Laves纳米沉淀相的共沉淀，形成了分层的异质结构。这种结构的沉淀强化和异质变形引起的强化，使得合金在室温下的屈服强度达到1076 MPa，在700℃时达到905 MPa，同时在这个温度范围内保持了10%至50%的高塑性。此外，研究人员还通过第一性原理计算评估了多组分FCC和B2相的内在能量学，结果表明这两个相都可以通过位错滑移机制容纳塑性变形。位错在两个相中的相互作用以及异质变形引起的强化，为合金在室温下提供了大的应变硬化。在700℃时，增加的原子流动性促进了可变形B2和FCC相中位错的运动，变形还诱导了晶界滑移和动态再结晶，这些因素共同显著提高了合金在高温下的塑性。

图文导读

图1：不同温度下的力学性能：(a)室温和(b)700℃下Nb-free和Nb-containing合金的拉伸应力-应变曲线，(c)Nb-containing合金在25至900℃温度范围内的拉伸应力-应变曲线，以及(d)Nb-containing合金与其他高性能合金在不同温度下的屈服强度对比。

图2：合金的EBSD和TEM微观结构：(a)Nb-free合金的相图，(b)Nb-containing合金的相图，(c)Nb-free合金的IPF图，(d)Nb-containing合金的IPF图，以及(e, f)两个合金的BF-TEM图像和(g, h, i, j)两个合金中不同相的SAED图案。

图3：Nb-free和Nb-containing合金B2相的HAADF-STEM图像和EDS图。

图4：Nb-containing合金B2相中纳米沉淀相的HR-TEM特征：(a)α'-(Fe,Cr)沉淀相的HR-TEM图像，(b1, b2)相应的FFT图案，(c)反FFT图像，(d)相应的EDS图，(e)Nb富集的Laves纳米沉淀相的HR-TEM图像，(f1, f2)相应的FFT图案，(g)反FFT图像。

小结

这项研究成功开发了一种新的FCC/B2 EHEA，通过纳米共沉淀和异质结构工程，实现了在室温和高温下优异的强度和塑性。研究人员发现，Nb的添加不仅促进了FCC相中L12纳米沉淀相的形成，还诱导了B2相中Laves和α'-(Fe,Cr)沉淀相的共沉淀，形成了分层的异质结构。此外，Nb的添加使B2和FCC相更加分散，增加了异质相边界的数量密度。定量评估强化机制表明，L12和Laves沉淀相的沉淀强化和增强的异质变形引起的强化是Nb-containing合金相对于Nb-free合金屈服强度增加的主要贡献者。第一性原理计算揭示了多组分FCC和B2相的内在能量学，表明这两个相都可以通过位错滑移机制容纳塑性变形。位错在两个相中的相互作用以及异质变形引起的强化，为合金在室温下提供了大的应变硬化。在700℃时，增加的原子流动性促进了可变形B2和FCC相中位错的运动，变形还诱导了晶界滑移和动态再结晶，这些因素共同显著提高了合金在高温下的塑性。

文献：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120634