西工大魏秉波团队Scr. Mater：超声细化共晶组织同时提高高熵合金强度/塑性

一、导读

具有共晶结构的高熵合金具有优异的力学性能。为了优化材料的组织与力学性能，最常用的方法是冷轧加退火处理。传统变形强化通常是基于固态加工的策略，但至今尚无液-固的工艺来优化材料的组织和力学性能。超声凝固作为一种具有悠久历史的高效环保加工技术，已广泛应用于铝合金、镁合金的科研和工业生产。超声在合金熔体中传播时，会产生空化效应、声流和机械振动，从而细化合金的晶粒尺寸，调节合金的形貌，提高合金的物理性能，例如：超声显著改变了Sn-Pb和Al-Si共晶合金的形核和生长特性。因此，超声同样可以调节高熵合金的共晶组织。然而，由于高熵合金的液相温度较高，这给超声应用带来了技术障碍。

二、成果掠影

近日，来自西北工业大学物理科学与技术学院的魏秉波院士，王建元教授采用20 kHz功率、最大振幅为13 μm的超声波对高熵FeCoNi₂Al_0.9合金的凝固过程进行调制。发现凝固共晶组织由L1₂相和B₂相组成，以K-S取向关系协同生长。随着超声振幅的增加，共晶晶粒和片层间距显著细化，L1₂/B₂界面共格比例增加，共晶相溶质的浓度波动被明显抑制。超声波干预凝固合金的屈服强度、极限强度和总伸长率分别比静态凝固合金提高23%、21%和19%。这为提高具有共晶结构的高熵合金的力学性能和克服强度/塑性平衡提供了有效途径。相关成果以“Strength and ductility enhancement of high-entropy FeCoNi₂Al_0.9 alloy by ultrasonically refining eutectic structures”为题发表在金属材料著名期刊Scripta Materialia期刊上。

三、核心创新点

(1) 创造性的将超声波干预技术应用在高熵合金凝固过程中，从而有效细化合金的组织；

(2) 发明稳态空位和超声波流是调控组织的关键；     

四、数据概览

图1 高熵FeCoNi₂Al_0.9合金的热重分析及相组成:(a) DSC曲线;(b) XRD图谱;(c)动态凝固时间随超声振幅的变化;(d) 13 μm振幅的超声凝固声强变化。© 2022 Elsevier

图2 不同凝固条件下高熵FeCoNi₂Al_0.9合金凝固组织特征:(a)静态凝固过程中共晶组织形成的BSE图像;(b) 加13 μm振幅超声场下共晶结构的BSE图像;(c)共晶结构特征尺寸随超声振幅的变化;(d)静态试样和13 μm超声振幅试样中α和γ相的晶格常数。© 2022 Elsevier

图3 不同凝固条件下高熵FeCoNi₂Al_0.9合金的结晶取向:(a)静态凝固的EBSD相分布图;(b)静凝固合金中共晶界面的极点图和取向差分布;(c) 13 μm振幅超声场内动态凝固的EBSD相分布图;(d) 13 μm超声凝固后共晶界面的极点图和取向差分布。© 2022 Elsevier

图4 高熵FeCoNi₂Al_0.9合金共晶组织中溶质分布特征:(a)静态凝固合金中的线扫描;(b)动态凝固合金在13 μm振幅超声场中的线扫描;(c)静态凝固和超声凝固后的最大和最小浓度;(d)静态凝固和超声凝固合金的偏析程度。© 2022 Elsevier

图5 静态和超声凝固条件下高熵FeCoNi₂Al_0.9合金的力学性能:(a)拉伸应力-应变曲线;(b)屈服强度、抗拉强度和延伸率随超声振幅的变化;(c)本研究和文献中具有共晶结构的铸造高熵合金屈服强度-总伸长率图;(d)这种合金与其他具有共晶结构的静态高熵合金的极限抗拉强度的比较。© 2022 Elsevier

五、成果启示

超声共振是一种新型的合金处理技术，可以在液-固，固-固和液-液等条件下有效干预合金的组织，从而实现力学性能的调控。通过本文的研究成果，我们可以将超声技术扩展至更大的范围。

论文详情：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2022.115154

本文由虚谷纳物供稿