【新能源前线】上海大学Adv. Sci：粗晶超塑性领域取得重大突破

一、导读

超塑性现象对于合金的复杂成形，如精密零件的塑性加工等非常重要。通过开发超细晶/纳米结构材料，许多合金都可通过晶界滑动获得超塑性。获得超细/纳米晶粒需要额外的晶粒细化工艺，此过程复杂且成本高，如高压扭转、搅拌摩擦加工或等通道角挤压等，这极大地限制了这些材料的经济可行性。此外，为了避免在变形过程中晶粒生长，需要低温超塑性成形。事实上，这些问题可以通过开发晶粒尺寸大于15 μm的高强度粗晶粒来潜在地解决。研究表明：粗晶高熵/中熵合金(HEAs/MEAs)的超塑性机制不再是常规的晶界旋转。另外，高熵/中熵合金往往具有相对较高的密度，这限制了它们的应用，例如结构航空材料。轻质HEAs/MEAs (LWHEAs/MEAs)是一种新兴的结构材料,其密度均在1.5-6.5g. cm⁻³范围内。因此，它们具有相当大的潜力作为下一代航空结构材料。然而，大多数LWHEA材料不适合加工成复杂形状，因为它们在环境温度下的延展性有限，而且它们在高温下的超塑性文献很少。针对这些问题，本文则给出了非常好的解决方案。

二、成果掠影

近日，来自上海大学的孙康博士和王刚等人首先在Ti_43.3V₂₈Zr₁₄Nb₁₄Mo_0.7, at.%合金中实现了粗晶超塑性。该合金的显微组织由少量超细颗粒微结构嵌入在体心立方基体中组成。在1173 K应变速率为10^-2 s ^{- 1}的条件下，该合金具有高达≈440%的塑性，屈服强度约为1GPa。 这种合金的位错滑移、动态再结晶和晶界滑移顺序不同于传统细晶粒材料的连续晶界滑移触发超塑性的变形机制，而是由位错滑移，再结晶，晶界滑动三个连续的机制顺序启动来完成。本研究结果为高速超塑性成形开辟了一条途径，将超塑性材料扩展到高强度领域，并可以指导新合金的开发。相关成果以“Efficient Coarse-Grained Superplasticity of a Gigapascal Lightweight Refractory Medium Entropy Alloy”为题发表在Advanced Science期刊上。

三、核心创新点

(1) 首次的轻质中熵合金中利用粗晶实现了超塑性，打破了传统的认识；

(2) 发现粗晶超塑性的新机制；

四、数据概览

图1 LRMEA样品的显微组织和力学性能。a) EBSD IPF图;b) XRD图谱;c)根据三种不同IPF图计算的晶粒度分布;d) BSE图像显示基体内部镶嵌的颗粒;e)显示有序相粒子形态的STEM图像;f)显示BCC基体和有序相粒子的元素分布STEM-EDS线剖面;g) <110>方向BCC基体和有序相的HRTEM和相应的FFT图像;H)室温拉伸工程应力-工程应变曲线;i)之前在室温下报告的BCC、FCC、HCP、BCC+HCP、FCC+BCC高熵/中熵合金屈服强度与密度的图。© The Authors

图2 LRMEA样品的超塑性行为。a)温度为973、1073和1173 K，应变速率为10⁻³和10⁻² s⁻¹下的拉伸工程应力-应变曲线;b)在温度为973、1073和1173 K，应变速率为10⁻² s⁻¹条件下断裂的试样图像;c)在1173 K条件下，5 × 10⁻⁴、1 × 10⁻³、5 × 10⁻³和1 × 10⁻² s⁻¹应变速率下的应力-应变、σ -ε、曲线和应变率敏感性(m)值，其中n = 1/m为应力指数;D)粗晶粒超塑性变形后试样的硬度分布;(d)硬度测试和硬度压痕的形貌;E)粗晶超塑性镁合金、粗晶超塑性铝合金、粗晶铌合金、粗晶超塑性金属间化合物和粗晶超塑性钛合金在高应变率(10⁻² s⁻¹)下的屈服强度与超塑性延伸率。© The Authors

图3 在温度为1173 K、应变速率为10⁻² s⁻¹条件下，变形试样的组织演变分别为阶段I (ε≈20%)、阶段II (ε≈200%)和阶段III (ε≈400%)。a,d,g) IPF图，其中插图表示晶体方向;b,e,h)与(a)， (d)， (g)中IPF对应的KAM映射。c)阶段I的TEM-BF图像;f) (d) DRX映射;i) (h)中所选区域对应的SEM图像;j)超塑性变形后粗晶界的SEM图像;k) TEM-BF图像显示在富Zr粒子边界处存在许多纳米相;l)显示富Zr粒子和纳米相的HRTEM图像;A区位于富Zr粒子中;区域B位于基体中;区域“C”位于纳米相中。© The Authors

图4 a-e)当拉伸应变增加0、≈20%、≈100%、≈150%和≈200%时，粗粒LRMEA试样变形过程的EBSD表征和示意图。f)粗晶粒区亚晶粒和DRX晶粒带示意图;G)粗晶粒变形机理示意图;h)显示细DRX晶粒带中晶界滑动的示意图。© The Authors

五、成果启示

本文发现的新机制可以进一步指导新型高强度、粗晶超塑性材料的反向设计与开发。为高效的超塑性成形开辟了新道路，并且将粗晶超塑性材料应用拓宽到轻质-高强度领域。

论文详情：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202207535

本文由虚谷纳物供稿