Acta Materialia：析出強化型FeCoNiCrTi0.2高熵合金在室溫及低溫狀態下的優異拉伸性能

【引言】

利用傳統的合金設計概念尋找有用材料時，人們通常關注相圖的邊緣區域。近年來，具有等原子或近等原子濃度的單相高熵合金作為一類新型結構材料，迅速引起了人們的廣泛關注，研究人員開始關注相圖的中間區域。一些面心立方結構的單相高熵合金表現出優異的抗輻射能力和出色的低溫機械性能，因此在極端環境下的工程應用中，有著廣闊的應用前景。

【成果簡介】

近日，香港城市大學的KAI Ji-jung (開執中)教授、Y.Tong博士和日本東北大學的Y. Shimizu副教授合作，在Acta Materialia上發表了題為“Outstanding tensile properties of a precipitation-strengthened FeCoNiCrTi_0.2 high-entropy alloy at room and cryogenic temperatures”的文章。根據文章報道，FeCoNiCrTi_0.2高熵合金在兩種相同成分且相連的納米析出相的作用下，得到強化。該工作研究了析出強化的FeCoNiCrTi_0.2高熵合金在室溫和低溫下的拉伸性質，以及相應的缺陷結構演化，所得結論為通過析出強化和孿晶/堆垛層錯相結合的方法設計用于低溫環境的高熵合金提供了指導。

【圖文導讀】

圖1：不同狀態下FeCoNiCrTi_0.2高熵合金的結構和形貌表征。

(a)時效后的FeCoNiCrTi_0.2高熵合金的XRD圖樣；

(b)時效后的FeCoNiCrTi_0.2高熵合金的EBSD圖像；

(c)腐蝕后的FeCoNiCrTi_0.2高熵合金二次電子圖像；

(d)腐蝕后的FeCoNiCrTi_0.2高熵合金二次電子圖像，內插圖為白色區域的薄層狀偏析物。

圖2：薄層狀偏析物的結構和形貌表征。

(a)不同取向的兩個相鄰晶粒中偏析物的明場TEM圖像；

(b)圖(a)中紅色圓圈內區域的SAED圖樣，電子束方向平行于[011]晶帶軸；

(c,e,g) 沿[011]晶帶軸分布的薄層狀偏析物的HRTEM圖像；

(d,f,h) 沿[011]晶帶軸分布的薄層狀偏析物的SAED圖像；

(i)某一薄層狀偏析物的高分辨HAADF圖像。

圖3：薄層狀偏析物區域的STEM圖像和相應的STEM-EDX元素分布。

圖4：每種元素的原子分布及整體的原子分布圖，APT樣品是選自接近晶界且帶有薄層狀偏析物的區域。

圖5：球形偏析物內元素分布及尺寸分布情況。

(a)含有球形偏析物的晶粒中，每種元素的原子分布圖；

(b)含40at%Ni時繪制的等濃度表面；

(c)穿過某一基體/顆粒界面的所有元素濃度；

(d)球形偏析物的尺寸分布。

圖6：沿[011]晶帶軸的偏析物的形貌和結構表征。

(a)遠離晶界附近薄層狀偏析物的晶粒內部的SAED圖樣；

(b)晶粒內基體和顆粒的HRTEM圖像；

(c)圖(b)中高亮區域內顆粒的快速傅里葉變換圖像;

(d)圖(b)中高亮區域內基體的快速傅里葉變換圖像。

圖7：樣品力學性能測試。

(a)Ti高熵合金在293K和77K時進行拉伸試驗的工程應力應變曲線；

(b)真實應力應變曲線和相應的應變強化速率隨真實應變變化情況。

圖8：時效后FeCoNiCrTi_0.2高熵合金的拉伸性能。

(a,b) 293K溫度下，時效后的FeCoNiCrTi_0.2高熵合金和中熵合金/高熵合金固溶體以及析出強化的FeCoNiCr高熵合金拉伸性能的比較；

(c,d)77K溫度下，時效后的FeCoNiCrTi_0.2高熵合金和中熵合金/高熵合金固溶體以及析出強化的FeCoNiCr高熵合金拉伸性能的比較。

圖9：樣品的斷口形貌表征。

(a,b) 293K溫度下，Ti高熵合金樣品形變后的斷裂表面；

(c,d)77K溫度下，Ti高熵合金樣品形變后的斷裂表面,(d)圖中的箭頭表示極小韌窩形成的團簇。

圖10：晶粒中的缺陷形貌表征。

(a)293K下形變的Ti高熵合金的不同晶粒中位錯結構的明場TEM圖像；

(b)293K下形變的Ti高熵合金的不同晶粒中堆垛層錯的明場TEM圖像；

(c)圖(b)中高亮區域的HRTEM圖像。

圖11：低溫（77K）下Ti高熵合金形變后的微觀形貌表征。

(a-c)真實應變依次約為2.5%、10%、36%的Ti-高熵合金樣品形變后位錯結構和堆垛層錯的明場TEM圖像；

(d)圖(c)中藍色區域的HRTEM圖像。

圖12：低溫(77K)形變后的Ti高熵合金中薄層狀區域的STEM圖像(a)和相應的TEM-EDX分布圖(b-f)。

【小結】

該工作制備得到一種L1₂結構、(Ni,Co)₃Ti型、析出強化的FeCoNiCrTi_0.2高熵合金，并通過X射線衍射，掃描電鏡，原子探針技術和透射電鏡相結合的方式對樣品的顯微結構進行了表征。進一步用透射電鏡對樣品的室溫(293K)和液氦溫度(77K)的拉伸性能以及相應的缺陷結構演化展開研究。給予該工作的觀察可得到以下結論：

(a) 在1073K時效1h以后，薄層狀和球狀偏析物分別以異質形核和均勻形核的方式在晶界附近和晶粒內部形成。這兩類偏析物的成分相同，但薄層狀偏析物具有長程堆垛有序結構(long-period stacking ordered)，如15R，12R和4H，且化學無序，但納米顆粒是有序的L1₂結構γ^’相。

(b) 和單相的FeCoNiCr高熵合金比較，析出強化型2高熵合金的屈服強度和極限抗拉強度有了顯著提高，但韌性并沒有下降。和單相的FeCoNiCr高熵合金類似，析出強化的FeCoNiCrTi_0.2高熵合金表現出很強的溫度依賴性。當溫度從293K下降到77K時，屈服強度由700MPa增至860MPa，極限抗拉強度由1.24GPa增至1.58GPa，韌性提升值由36% 增至46%。

(c) 當溫度由293K降溫至77K，形變機制由位錯主導轉變為堆垛層錯控制模式，表明隨溫度下降堆垛層錯能降低。293K時，析出強化型FeCoNiCrTi_0.2高熵合金發生形變直至斷裂主要發生于平面位錯滑移，伴隨著少量堆垛層錯產生。77K時，多層堆垛層錯形成一束，層狀堆垛層錯在拉伸形變過程中形成，引發動力學Hall-Petch效應。

(d) 不同于單相的FeCoNiCr高熵合金，77K形變并時效后的FeCoNiCrTi_0.2高熵合金中，γ^’-析出強化區域幾乎不產生孿生，表明孿晶形核被γ^’相納米顆粒阻礙。然而，在被化學無序的薄層狀偏析物強化的區域觀察到顯微孿晶(microtwins)，表明γ^’相納米顆粒的化學有序度隨著孿晶形核能壘顯著增加。

文獻鏈接：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)

本文由材料人金屬材料組Isobel供稿，材料牛整理編輯。

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