Scripta Mater.：納米析出相強化的新型面心立方高熵合金

【引言】

高熵合金是一類至少包含四種主要主要組成元素的材料。自2004年由Yeh和Cantor等人提出以來，高熵合金憑借優異的力學性能、抗輻射損傷能力和耐磨、抗疲勞和腐蝕能力，以及熱處理過程中的顯微結構穩定性，至今依舊受到研究者們極大的關注。通常來講，高熵合金具有簡單面心立方、體心立方或密排六方固溶體結構。2015年至今，對高熵合金的力學性能、相預測、疲勞行為和合金設計等研究工作為高熵合金的發展和應用做出了突出的貢獻，然而，對高熵合金相形成行為的研究還很有限。

【成果簡介】

近日，哈爾濱工業大學的陳瑞潤教授課題組在Scripta Materialia上發表了題為“A novel face-centered-cubic high-entropy alloy strengthened by nanoscale precipitates”的文章。作者引入了一種新型Co₉Cr₇Cu₃₆Mn₂₅Ni₂₃（原子百分比）高熵合金，研究并呈現了該材料的力學性能、相組成顯微結構和化學分布。為描述此類高熵合金晶體形成和納米尺度析出相形成過程中的行為，作者提出了一種原子運動模型。所得研究結果對發展高性能高熵合金將會有所助益。

【圖文導讀】

圖1：Co₉Cr₇Cu₃₆Mn₂₅Ni₂₃高熵合金的力學性能和晶體結構。

(a) XRD 譜；

(b) 拉伸工程應力應變曲線；

(c) Co₉Cr₇Cu₃₆Mn₂₅Ni₂₃高熵合金及其他高熵合金體系的拉伸屈服強度和延伸率；

(d) Co₉Cr₇Cu₃₆Mn₂₅Ni₂₃高熵合金及其他高熵合金體系的極限拉伸強度和延伸率。

圖2：X射線能譜儀得到Co₉Cr₇Cu₃₆Mn₂₅Ni₂₃高熵合金的顯微結構和元素分布圖。

(a) Co₉Cr₇Cu₃₆Mn₂₅Ni₂₃高熵合金的顯微結構；

(b-f) Co₉Cr₇Cu₃₆Mn₂₅Ni₂₃高熵合金中Co，Cr，Cu，Mn和Ni的元素分布圖。

圖3：Co₉Cr₇Cu₃₆Mn₂₅Ni₂₃高熵合金的TEM圖像。

(a) 低倍明場TEM圖像；

(b) (a)圖的電子衍射斑點；

(c) 高倍明場TEM圖像；

(d) (c)圖的電子衍射斑點；

(e-j) 高角環形暗場圖（HAADF）和相應的Co，Cr，Cu，Mn和Ni的STEM-EDS元素分布圖。

圖4：原子運動模型。

(a) Co₉Cr₇Cu₃₆Mn₂₅Ni₂₃高熵合金晶體形成行為的原子運動模型；

(b) 納米析出相的形成行為。

【小結】

作者首次研究了Co₉Cr₇Cu₃₆Mn₂₅Ni₂₃高熵合金體系，觀察到這類材料可以將拉伸屈服強度和延展性很好地結合起來。在這類新型高熵合金中，作者發現大量尺寸在3-8nm大的析出相富集在Co、Cr中，而在Cu中含量極少。作者進一步推斷，約419MPa的附加強度是由納米顆粒和基體直降的晶格錯配和剪切模量錯配引起的。總拉伸強度為700MPa，說明也可以通過固溶強化和晶界強化機制實現合金的強化。

基于X射線能譜儀分析和高熵合金的晶體形成行為的研究，作者發現高熔點元素偏向于作為初晶相析出，而低熔點元素則隨著溫度降低析出并附著于初晶相上。此外，隨著溫度降低，一部分Co和Cr從過飽和固溶體中析出并形成析出相。析出相生長到幾納米大小，，收到緩慢擴散效應的阻礙無法進一步長大，從而形成了納米析出相。

文獻鏈接：A novel face-centered-cubic high-entropy alloy strengthened by nanoscale precipitates（Scripta Mater.,2019,DOI: 10.1016/j.scriptamat.2019.07.008）