Acta Materialia：析出强化型FeCoNiCrTi0.2高熵合金在室温及低温状态下的优异拉伸性能

【引言】

利用传统的合金设计概念寻找有用材料时，人们通常关注相图的边缘区域。近年来，具有等原子或近等原子浓度的单相高熵合金作为一类新型结构材料，迅速引起了人们的广泛关注，研究人员开始关注相图的中间区域。一些面心立方结构的单相高熵合金表现出优异的抗辐射能力和出色的低温机械性能，因此在极端环境下的工程应用中，有着广阔的应用前景。

【成果简介】

近日，香港城市大学的KAI Ji-jung (開執中)教授、Y.Tong博士和日本东北大学的Y. Shimizu副教授合作，在Acta Materialia上发表了题为“Outstanding tensile properties of a precipitation-strengthened FeCoNiCrTi_0.2 high-entropy alloy at room and cryogenic temperatures”的文章。根据文章报道，FeCoNiCrTi_0.2高熵合金在两种相同成分且相连的纳米析出相的作用下，得到强化。该工作研究了析出强化的FeCoNiCrTi_0.2高熵合金在室温和低温下的拉伸性质，以及相应的缺陷结构演化，所得结论为通过析出强化和孪晶/堆垛层错相结合的方法设计用于低温环境的高熵合金提供了指导。

【图文导读】

图1：不同状态下FeCoNiCrTi_0.2高熵合金的结构和形貌表征。

(a)时效后的FeCoNiCrTi_0.2高熵合金的XRD图样；

(b)时效后的FeCoNiCrTi_0.2高熵合金的EBSD图像；

(c)腐蚀后的FeCoNiCrTi_0.2高熵合金二次电子图像；

(d)腐蚀后的FeCoNiCrTi_0.2高熵合金二次电子图像，内插图为白色区域的薄层状偏析物。

图2：薄层状偏析物的结构和形貌表征。

(a)不同取向的两个相邻晶粒中偏析物的明场TEM图像；

(b)图(a)中红色圆圈内区域的SAED图样，电子束方向平行于[011]晶带轴；

(c,e,g) 沿[011]晶带轴分布的薄层状偏析物的HRTEM图像；

(d,f,h) 沿[011]晶带轴分布的薄层状偏析物的SAED图像；

(i)某一薄层状偏析物的高分辨HAADF图像。

图3：薄层状偏析物区域的STEM图像和相应的STEM-EDX元素分布。

图4：每种元素的原子分布及整体的原子分布图，APT样品是选自接近晶界且带有薄层状偏析物的区域。

图5：球形偏析物内元素分布及尺寸分布情况。

(a)含有球形偏析物的晶粒中，每种元素的原子分布图；

(b)含40at%Ni时绘制的等浓度表面；

(c)穿过某一基体/颗粒界面的所有元素浓度；

(d)球形偏析物的尺寸分布。

图6：沿[011]晶带轴的偏析物的形貌和结构表征。

(a)远离晶界附近薄层状偏析物的晶粒内部的SAED图样；

(b)晶粒内基体和颗粒的HRTEM图像；

(c)图(b)中高亮区域内颗粒的快速傅里叶变换图像;

(d)图(b)中高亮区域内基体的快速傅里叶变换图像。

图7：样品力学性能测试。

(a)Ti高熵合金在293K和77K时进行拉伸试验的工程应力应变曲线；

(b)真实应力应变曲线和相应的应变强化速率随真实应变变化情况。

图8：时效后FeCoNiCrTi_0.2高熵合金的拉伸性能。

(a,b) 293K温度下，时效后的FeCoNiCrTi_0.2高熵合金和中熵合金/高熵合金固溶体以及析出强化的FeCoNiCr高熵合金拉伸性能的比较；

(c,d)77K温度下，时效后的FeCoNiCrTi_0.2高熵合金和中熵合金/高熵合金固溶体以及析出强化的FeCoNiCr高熵合金拉伸性能的比较。

图9：样品的断口形貌表征。

(a,b) 293K温度下，Ti高熵合金样品形变后的断裂表面；

(c,d)77K温度下，Ti高熵合金样品形变后的断裂表面,(d)图中的箭头表示极小韧窝形成的团簇。

图10：晶粒中的缺陷形貌表征。

(a)293K下形变的Ti高熵合金的不同晶粒中位错结构的明场TEM图像；

(b)293K下形变的Ti高熵合金的不同晶粒中堆垛层错的明场TEM图像；

(c)图(b)中高亮区域的HRTEM图像。

图11：低温（77K）下Ti高熵合金形变后的微观形貌表征。

(a-c)真实应变依次约为2.5%、10%、36%的Ti-高熵合金样品形变后位错结构和堆垛层错的明场TEM图像；

(d)图(c)中蓝色区域的HRTEM图像。

图12：低温(77K)形变后的Ti高熵合金中薄层状区域的STEM图像(a)和相应的TEM-EDX分布图(b-f)。

【小结】

该工作制备得到一种L1₂结构、(Ni,Co)₃Ti型、析出强化的FeCoNiCrTi_0.2高熵合金，并通过X射线衍射，扫描电镜，原子探针技术和透射电镜相结合的方式对样品的显微结构进行了表征。进一步用透射电镜对样品的室温(293K)和液氦温度(77K)的拉伸性能以及相应的缺陷结构演化展开研究。给予该工作的观察可得到以下结论：

(a) 在1073K时效1h以后，薄层状和球状偏析物分别以异质形核和均匀形核的方式在晶界附近和晶粒内部形成。这两类偏析物的成分相同，但薄层状偏析物具有长程堆垛有序结构(long-period stacking ordered)，如15R，12R和4H，且化学无序，但纳米颗粒是有序的L1₂结构γ^’相。

(b) 和单相的FeCoNiCr高熵合金比较，析出强化型2高熵合金的屈服强度和极限抗拉强度有了显著提高，但韧性并没有下降。和单相的FeCoNiCr高熵合金类似，析出强化的FeCoNiCrTi_0.2高熵合金表现出很强的温度依赖性。当温度从293K下降到77K时，屈服强度由700MPa增至860MPa，极限抗拉强度由1.24GPa增至1.58GPa，韧性提升值由36% 增至46%。

(c) 当温度由293K降温至77K，形变机制由位错主导转变为堆垛层错控制模式，表明随温度下降堆垛层错能降低。293K时，析出强化型FeCoNiCrTi_0.2高熵合金发生形变直至断裂主要发生于平面位错滑移，伴随着少量堆垛层错产生。77K时，多层堆垛层错形成一束，层状堆垛层错在拉伸形变过程中形成，引发动力学Hall-Petch效应。

(d) 不同于单相的FeCoNiCr高熵合金，77K形变并时效后的FeCoNiCrTi_0.2高熵合金中，γ^’-析出强化区域几乎不产生孪生，表明孪晶形核被γ^’相纳米颗粒阻碍。然而，在被化学无序的薄层状偏析物强化的区域观察到显微孪晶(microtwins)，表明γ^’相纳米颗粒的化学有序度随着孪晶形核能垒显著增加。

文献链接：Outstanding tensile properties of a precipitation-strengthened FeCoNiCrTi_0.2 high-entropy alloy at room and cryogenic temperatures (Acta Mater., 2018, DOI: 10.1016/j.actamat.2018.11.049)

本文由材料人金属材料组Isobel供稿，材料牛整理编辑。

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