西安交通大學孫軍教授團隊：一種面向極端低溫環境的高性能中熵合金

現代工業對極端低溫環境服役的高性能結構材料的需求日益迫切（如外太空飛行器、低溫恒溫器、液氮/氧/氦運輸存儲等領域），而絕大多數傳統金屬/合金呈現出溫度降低，強度升高但塑韌性下降的現象。近年來，多組元（中/高熵）合金的出現開創了合金材料設計的新理念，并具有突破傳統材料諸多性能極限的潛能，使其在極端環境中應用極具前景。其中單相面心立方(FCC)結構的FeCoCrNiMn高熵合金越低溫越強韌的特性于2014年首次被發現，隨后又發現FCC結構的NiCoCr中熵合金具有比其更高的強塑性和創紀錄的斷裂韌性。然而，單相NiCoCr中熵合金具有較低的屈服強度，是限制其低溫工程應用的主要瓶頸。

近日，西安交通大學材料學院孫軍教授團隊針對這一問題，以NiCoCr合金為模型合金通過成分結構設計進一步提升了其低溫綜合力學性能。在成分設計上，考慮到合金低溫強度的提升主要源于“short-range stress”的晶格摩擦力，因此以適用于多主元合金的Varvenne模型篩選出Al和Ta作為NiCoCr基體的固溶強化元素并基于VEC準則確定其含量；在微觀結構上，基于位錯-共格孿晶界交互作用的溫度依賴性，利用溶質原子對晶界遷移的抑制效應，同時冷軋后輔以快速退火在組織中預制高密度的退火孿晶，巧妙構筑孿晶結構的(NiCoCr)AlxTay多組元合金。隨后，從Al/Ta合金化協同效應以及溫度效應兩個維度對其力學行為和變形機理進行了深入的探索。研究結果表明，Al/Ta共摻雜顯著提高了其晶格強度（圖1），并且在室溫下誘發了異常孿生行為，即Al/Ta共摻雜促進了基體NiCoCr合金中退火孿晶形成但抑制變形孿晶，這分別與晶界松弛行為和孿晶機制轉變的尺寸效應密切相關。在液氮溫度下（77K），團隊研發的(NiCoCr)AlxTay合金的低溫綜合力學性能顯著優于目前報道的FCC結構高熵合金和典型的傳統高性能低溫合金（如高Ni鋼、304/316L不銹鋼和TRIP/TWIP鋼）（圖2），使其作為結構材料在極端低溫環境領域具有極大的工業應用潛力。該合金在低溫下展現出多階段的加工硬化能力和優異的均勻塑性，這主要源于合金在變形過程中多種變形機制的協同效應以及所形成的復雜亞結構間的強烈交互作用。另外，(NiCoCr)AlxTay合金優異的低溫力學性能已經引起了相關企業的關注，通過進一步提升其綜合服役性能，能夠取得實際應用。

圖1.?Al/Ta合金化效應顯著提高基體NiCoCr合金晶格摩擦力