烟台大学Acta Materialia：从最佳固溶强化和应力辅助沉淀过程中获得非等原子高熵合金优异的抗蠕变性能

一、导读

出于环境和经济方面的考虑，火电厂不断面临提高运行效率和减少温室气体排放的挑战。常规火力发电厂的效率在很大程度上取决于蒸汽的温度和压力。通过将蒸汽温度从866 K提高到973 K，效率可以从47%(即目前最先进的工厂的典型效率)提高到55%。然而，如果没有结构材料性能的提升，这种改进就无法实现。商用铁素体钢的锅炉、蒸汽轮机和燃气轮机在高温下的抗蠕变能力有限，只能在893 K以下运行。因此，为了提高火电厂的热效率，需要开发新的合金来实现更高的运行温度。

近年来，新型高熵合金(HEAs)受到了广泛的关注，由于其在极端环境下具有显著的高温强度(甚至优于某些高温合金)、良好的抗辐照和抗氧化性能，极具应用前景。较大的成分可调性为开发具有不同优越性能的先进合金带来了机会，无穷无尽的组合池也为设计具有目标属性的HEAs带来了新的挑战。从以往的研究来看，与体心立方晶格（BCC）结构相比，面心立方晶格（FCC）结构的HEAs具有成本低、抗氧化和抗腐蚀能力强、组织可调、高温强度高等优点，是最有潜力的抗蠕变合金设计候选材料，所以本工作将重点对具有FCC结构的HEAs进行系统的研究。熵值合金尽管具有单相固溶性质，但只表现出与沉淀强化铁素体合金相当的蠕变性能。此外，许多HEAs在长期退火后被发现存在许多不连贯的第二相，降低了寿命，从而阻碍了它们在高温下的使用。因此，需要寻找一种具有优异抗蠕变性能的潜在候选材料，用于化石能源发电厂的高温应用。

二、成果掠影

烟台大学陈淑英副教授联合美国田纳西大学和橡树岭国家实验室主导研究了Al_0.3CoCrFeNi合金在973-1033K条件下的蠕变行为。该合金在高温长时加载条件下展现出极其优异的耐蠕变性，比如最小蠕变率比已报道的高熵合金和部分传统合金低至1-4个数量级。研究者利用原子探针断层扫描(APT)和透射电子显微镜(TEM)等一系列表征工具，证明了在退火过程中广泛存在的B2析出相在蠕变变形的早期阶段被抑制。合理耦合之间的应用应力和晶格失配，出现亚稳和相干L1₂沉淀物，并提供显著的蠕变强化。在973~1033 K范围内，应力指数和活化能分别为3~6.53和390~548.2 kJ⋅mol^-1。

相关研究工作以“Extraordinary creep resistance in a non-equiatomic high-entropy alloy from the optimum solid-solution strengthening and stress-assisted precipitation process”为题发表在国际顶级期刊Acta Materialia上。

三、核心创新点

本文制备的非等原子Al_0.3CoCrFeNi HEA具有优异抗蠕变能力，其中蠕变应变率比Cantor合金及其亚族合金低几个数量级。作者创新性地提出利用沉淀强化相大幅提高合金的蠕变强度。初始的单相面心立方结构在长时间高温加载环境下形成了大量L1₂与B2析出相，在合金的高温变形中起到了显著的强化作用，实现了蠕变寿命延长和高温蠕变率的降低。目前的工作为设计具有更好抗蠕变性能的新型HEAs提供了一条途径。

四、数据概览

图1 蠕变试验前Al_0.3CoCrFeNi合金的组织特征。(a)反向极点图。(b)相图。(c)单个元素图，分别包括Al、Co、Cr、Fe和Ni。© 2022 Acta Materialia Inc.

图2 (a)在65、75、85和110 MPa的应力作用下，Al_0.3CoCrFeNi合金蠕变曲线在973-1033 K的温度范围内蠕变。(b) CoCrFeMnNi、CoCrFeNi、CoCrNi和Al_0.3CoCrFeNi合金的应力与破裂时间的比较。© 2022 Acta Materialia Inc.

图3 Al_0.3CoCrFeNi蠕变试验的APT重建在973 K和75 MPa下中断，中断时间不同:(a)中断50 h。(b) 100 h。(c) 150 h。和(d)250 h。© 2022 Acta Materialia Inc.

图4 不同应力作用下973 K蠕变试样的断裂形态。(a)55 MPa，(b) 75 MPa，(c) 100 MPa。© 2022 Acta Materialia Inc.

图5 (a)施加应力与稳态应变率的双对数图。(b)Al_0.3CoCrFeNi合金稳态蠕变率与温度倒数的对数图© 2022 Acta Materialia Inc.

图6 常规合金和HEAs稳态蠕变速率与外加应力曲线的比较。© 2022 Acta Materialia Inc.

五、成果启示

本文研究了非等原子Al_0.3CoCrFeNi HEA在973~1033 K温度范围内的典型拉伸蠕变行为。原生单一FCC固溶体在连续加载和长时间高温下不稳定，在FCC基体中分解为富Cr相、L1₂相和B2相。由于B2相与基体有较大的收缩晶格不匹配，因此施加的拉应力抑制了B2相的形成，从而导致许多相干L1₂粒子的出现，增强了蠕变性能。在蠕变试样中观察到密集的位错环、堆积的位错缠结和堆积断层。应力指数和活化能分别为3~6.53和390~548.2 kJ⋅mol^-1。结合TEM分析，在973 K时，蠕变变形主要由L1₂粒子位错和位错-滑移主导。随着蠕变过程进行到后期，产生了越来越多的B2沉淀，取代了L1₂沉淀，成为移动位错的主要障碍。当温度提高到1033 K时，位错滑动机制得以维持。与其他常规合金相比，由于它们明显的析出强化和基体的层错能低,Al_0.3CoCrFeNi HEA的最低蠕变率、高应力指数和活化能均有显著降低，表明其高温性能有显著改善。这种应力选择沉淀过程(即L1₂ / B2)为我们未来抗蠕变材料的设计提供了一种新的策略。

原文详情：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118600

本文由张熙熙供稿。