港城大&哈工大Acta Materialia：同步提高纳米颗粒增强型高熵合金在室温和高温下的综合强韧性水平

【研究背景】

具有宽承温能力的高强度合金能够满足工业社会异常苛刻的要求。特别是，航空航天、石化和核能的快速发展迫切需要研发在室温和高温条件下具有优异强度-延性组合的合金。最近，多组分合金，也称为高熵合金（HEA），因其在先进结构应用中的巨大潜力而受到了广泛关注。正如人们所报道的，通过触发纳米孪晶或局部相变，面心立方（FCC）结构的HEA可以在低温和室温下显示出良好的强度、韧性和延展性。然而，这类合金在高温下会发生明显的软化，这使得它们远远不能满足高温结构应用的要求。

为了进一步优化强度-塑性的结合，已成功开发出具有纳米晶粒和纳米沉淀的先进纳米结构合金， 例如新型的L1₂强化高熵合金。然而，应注意的是，许多L1₂纳米颗粒强化型HEA在中温下易于发生严重的晶间脆性，特别是在一些具有有害晶间相的合金中，如Ni₂（Al，Ti）型Heusler相，其在高温下表现出严重的塑性损失。此外，我们最近的研究表明，由于氧原子沿晶界的应力辅助渗透，这种晶间脆化行为与氧原子诱导的晶界解理密切相关，从而导致合金在高温下的过早沿晶失效。尽管多组分HEA有望为设计具有优异性能的新型合金提供广阔的组成空间，但多种元素的存在和相关的复杂化学相互作用通常会导致不期望的各种脆性金属间相的形成，特别是在GBs处，这反过来会降低其室温下的拉伸延性。因此，如何同步提高纳米颗粒增强型高熵合金在室温和高温下的综合强韧性水平仍然是一个非常严重的挑战。

【成果掠影】

最近，香港城市大学的杨涛教授团队，携手哈尔滨工业大学赵怡潞教授团队和上海交通大学陈哲教授等研究人员，利用计算辅助热力学计算与模拟，合理设计了新型高强高韧Ni_39.9Co₂₀Fe_30-xCr_xAl₆Ti₄B_0.1（x=0、10、15和20at.%）高熵合金（HEA）。研究表明，当不断用Cr替代Fe时，保持了稳定的共格沉淀微观结构，并系统地研究了潜在的变形微观机制。研究发现，相对于L1₂型纳米颗粒，Cr主要分为面心立方（FCC）基体。Cr浓度的增加显著降低了基体的层错能（SFE），并导致层错主导的变形行为，从而在室温下同时提高了强度和塑性。相比之下，当在600°C下测试时，无Cr 的HEA发生了由环境诱导晶界氧化损伤引起的脆性沿晶断裂。有趣的是，当Cr掺杂高达20 at.%，由于抗氧化性的提高，可以完全消除这种晶间脆化，从而在高强度水平下产生明显的脆-韧转变（从3.4%到25.2%）。该研究工作为纳米颗粒增强HEA的可控合金设计提供了新的见解；在当前工作的推动下，可以进一步开发出更多的具有优异热机械性能的新型结构合金。相关研究成果以 “Designing nanoparticles-strengthened high-entropy alloys with simultaneously enhanced strength-ductility synergy at both room and elevated temperatures”为标题发表在Acta Materialia期刊。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118216。

论文第一作者：香港城市大学侯晋雄博士

论文通讯作者：香港城市大学杨涛教授、哈尔滨工业大学（深圳）赵怡潞教授

其他合作者：香港城市大学刘少飞博士、曹博轩博士、栾军华博士；上海交通大学陈哲教授；哈尔滨工业大学（深圳）刘兴军教授等等。

图文摘要：

图1. Thermodynamic modeling of the Ni-Co-Fe-Cr-Al-Ti HEAs analyzed by Thermo-Calc software with a TTNI8 database.

图3. Elemental distribution between the FCC and L1₂ phases in the Ni_39.9Co₂₀Fe₁₀Cr₂₀Al₆Ti₄B_0.1 (at.%) HEA.

图4. Room-temperature and elevated temperature （600 ^oC）mechanical responses of L1₂-strengthened Cr0 ∼ Cr20 HEAs.

图6. The distinct fracture morphologies of the Cr0 ∼ Cr20 HEAs when tested at 600 °C in air.

图11.  Tensile curves of the Cr0 HEA at 600 °C in air and vacuum conditions, with the fractured face showing ductile fracture with abundant dimples under the vacuum condition.

图13.  (a) The cross-sectional STEM image and corresponding oxygen distribution at a small crack tip of the post-tensile Cr0 HEA at 600 °C, showing the penetration of oxygen along the grain boundary beneath the oxides in the Cr0 HEA. (b) Schematic representation of the intergranular embrittlement indicating the stress-assisted diffusion of oxygen during the tensile test at elevated temperature.