港城大&哈工大Acta?Materialia：同步提高納米顆粒增強型高熵合金在室溫和高溫下的綜合強韌性水平

【研究背景】

具有寬承溫能力的高強度合金能夠滿足工業社會異常苛刻的要求。特別是，航空航天、石化和核能的快速發展迫切需要研發在室溫和高溫條件下具有優異強度-延性組合的合金。最近，多組分合金，也稱為高熵合金（HEA），因其在先進結構應用中的巨大潛力而受到了廣泛關注。正如人們所報道的，通過觸發納米孿晶或局部相變，面心立方（FCC）結構的HEA可以在低溫和室溫下顯示出良好的強度、韌性和延展性。然而，這類合金在高溫下會發生明顯的軟化，這使得它們遠遠不能滿足高溫結構應用的要求。

為了進一步優化強度-塑性的結合，已成功開發出具有納米晶粒和納米沉淀的先進納米結構合金， 例如新型的L1₂強化高熵合金。然而，應注意的是，許多L1₂納米顆粒強化型HEA在中溫下易于發生嚴重的晶間脆性，特別是在一些具有有害晶間相的合金中，如Ni₂（Al，Ti）型Heusler相，其在高溫下表現出嚴重的塑性損失。此外，我們最近的研究表明，由于氧原子沿晶界的應力輔助滲透，這種晶間脆化行為與氧原子誘導的晶界解理密切相關，從而導致合金在高溫下的過早沿晶失效。盡管多組分HEA有望為設計具有優異性能的新型合金提供廣闊的組成空間，但多種元素的存在和相關的復雜化學相互作用通常會導致不期望的各種脆性金屬間相的形成，特別是在GBs處，這反過來會降低其室溫下的拉伸延性。因此，如何同步提高納米顆粒增強型高熵合金在室溫和高溫下的綜合強韌性水平仍然是一個非常嚴重的挑戰。

【成果掠影】

最近，香港城市大學的楊濤教授團隊，攜手哈爾濱工業大學趙怡潞教授團隊和上海交通大學陳哲教授等研究人員，利用計算輔助熱力學計算與模擬，合理設計了新型高強高韌Ni_39.9Co₂₀Fe_30-xCr_xAl₆Ti₄B_0.1（x=0、10、15和20at.%）高熵合金（HEA）。研究表明，當不斷用Cr替代Fe時，保持了穩定的共格沉淀微觀結構，并系統地研究了潛在的變形微觀機制。研究發現，相對于L1₂型納米顆粒，Cr主要分為面心立方（FCC）基體。Cr濃度的增加顯著降低了基體的層錯能（SFE），并導致層錯主導的變形行為，從而在室溫下同時提高了強度和塑性。相比之下，當在600°C下測試時，無Cr?的HEA發生了由環境誘導晶界氧化損傷引起的脆性沿晶斷裂。有趣的是，當Cr摻雜高達20 at.%，由于抗氧化性的提高，可以完全消除這種晶間脆化，從而在高強度水平下產生明顯的脆-韌轉變（從3.4%到25.2%）。該研究工作為納米顆粒增強HEA的可控合金設計提供了新的見解；在當前工作的推動下，可以進一步開發出更多的具有優異熱機械性能的新型結構合金。相關研究成果以?“Designing nanoparticles-strengthened high-entropy alloys with simultaneously enhanced strength-ductility synergy at both room and elevated temperatures”為標題發表在Acta Materialia期刊。論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118216。

論文第一作者：香港城市大學侯晉雄博士

論文通訊作者：香港城市大學楊濤教授、哈爾濱工業大學（深圳）趙怡潞教授

其他合作者：香港城市大學劉少飛博士、曹博軒博士、欒軍華博士；上海交通大學陳哲教授；哈爾濱工業大學（深圳）劉興軍教授等等。

圖文摘要：

圖1.?Thermodynamic modeling of the Ni-Co-Fe-Cr-Al-Ti HEAs analyzed by Thermo-Calc software with a TTNI8 database.

圖3. Elemental distribution between the FCC and L1₂?phases in the Ni_39.9Co₂₀Fe₁₀Cr₂₀Al₆Ti₄B_0.1 (at.%) HEA.

圖4.?Room-temperature and elevated temperature （600 ^oC）mechanical responses of L1₂-strengthened Cr0 ～?Cr20 HEAs.

圖6. The distinct fracture morphologies of the Cr0 ～?Cr20 HEAs when tested at 600 °C in air.

圖11. ?Tensile curves of the Cr0 HEA at 600 °C in air and vacuum conditions, with the fractured face showing ductile fracture with abundant dimples under the vacuum condition.

圖13. ?(a) The cross-sectional STEM image and corresponding oxygen distribution at a small crack tip of the post-tensile Cr0 HEA at 600 °C, showing the penetration of oxygen along the grain boundary beneath the oxides in the Cr0 HEA. (b) Schematic representation of the intergranular embrittlement indicating the stress-assisted diffusion of oxygen during the tensile test at elevated temperature.