Acta Materialia：強韌FeNiCoAl基高熵合金

Acta Materialia：強韌FeNiCoAl基高熵合金用于低溫到高溫多功能應用

[導讀]

人類對外層空間永恒的好奇心推動了真正驚人的技術進步，從月球探索到火星航行的成就證明了這一點。太陽系中行星表面的溫度變化劇烈，從高達750 K (金星)到低至70 K(海王星)。因此，用于太空探索的結構材料必須在廣泛的溫度范圍內具有合適的性能。盡管傳統的金屬和合金可以通過調整來獲得優異的力學性能，但這種改善往往局限于特定的溫度范圍。多主元合金通常被稱為高熵合金(HEAs)，其高度可調的性能為開發涉及極端條件的關鍵結構應用的優異材料提供了顯著的潛力。然而，對高熵合金性能的優化主要局限于低溫或高溫下的行為。因此，在廣泛的工作溫度范圍內提高高熵合金的力學性能對于其在外層空間探索和其他極端環境應用中的潛在應用是特別有意義的。

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[成果掠影]

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在這項研究中，美國加州大學歐文分校Enrique J. Lavernia、美國勞倫斯伯克利國家實驗室Robert O. Ritchie以及美國加州大學圣地亞哥分校Kenneth S. Vecchio課題組合作，報道了一種非等原子、異質結構的高熵合金FeNiCoAlTaB，它在77 K到1073 K的溫度范圍內具有優異的力學性能組合。目前的亞穩態合金在77 K、298 K、873 K和1073 K表現出良好的延展性和優異的工程抗拉強度，分別為2.2 GPa、1.4 GPa、800 MPa和500 MPa。這種行為是通過在不同溫度下被激活的單個機制的協同序列來實現的。該合金在77 K甚至表現出偽彈性，施加載荷高達2 GPa。這項工作為設計和制造多功能高熵合金提供了一種方法來調整結構異質性和亞穩態，在廣泛的溫度范圍內優于已知的金屬和合金。相關論文以題為：“Strong and ductile FeNiCoAl-based high-entropy alloys for cryogenic to elevated temperature multifunctional applications”發表在Acta Materialia上。

[核心創新點]

• 本工作設計了一種非等原子異質結構的高熵合金FeNiCoAlTaB，該合金在77~1073 K溫度范圍內具有優異的力學性能，其強化機制可以在不同溫度下有效激活和操作。
• 此外，本工作設計的HEA在77 K下表現出偽彈性，使該合金成為低溫環境下超強致動器或高阻尼應用的潛在候選者。
• 這項工作為設計和制造在廣泛溫度范圍內優于傳統金屬和合金力學性能的高熵合金提供了一種可行的方法來調整結構異質性和亞穩態。

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[數據概覽]

• 材料微觀結構

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本工作制備了非等原子高熵合金FeNiCoAlTaB；其實際成分為Fe-28.2Ni-17Co-11Al-2.5Ta-0.04B,at.%。該合金設計γ′和B₂析出相的固溶溫度分別高于1173 K和1373 K，可保證合金在高溫下具有較高的強度和熱穩定性。經熱機械加工后，在再結晶狀態下獲得了由等軸細晶和拉長粗晶組成的非均勻奧氏體組織(圖1a)。細晶和粗晶的平均尺寸分別為5.4±3.8 μm和28.4±11.7μm，晶粒尺寸分布不均勻。異質結構的晶界上分布著NiAlB₂型顆粒，尺寸在0.5~2 μm之間(圖1b)。本工作的熱穩定性表征顯示，這些沿晶NiAl析出相在高達1400 K的高溫下仍然存在(圖2)。這表明NiAl析出相應該能夠抑制晶界遷移，從而在高溫下通過Zener釘扎效應限制細晶的生長。因此，FeNiCoAlTaB合金的異質結構在高達1400 K的溫度范圍內保持良好的熱穩定性，這一特性優于大多數其他異質結構金屬和合金。

圖1. Fe-28.2Ni-17Co-11Al-2.5Ta-0.04B(at.%) Hea合金的顯微組織? 2022 Acta Materialia Inc.

圖2. 退火后NiAlB₂析出相的分布及成分? 2022 Acta Materialia Inc.

• 寬溫度范圍的拉伸性能

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在77~1073 K溫度范圍內對FeNiCoAlTaB高熵合金的單軸拉伸性能進行了測試，如圖3a所示的工程應力-應變曲線所示，室溫抗拉強度達到了1.43 GPa，對應的拉伸延展率為21%，表現出了優異的強度和延展性協同作用。當溫度降低到77 K時，拉伸強度增加到了2.2 GPa，而延展性(保持在12%以上)沒有太大的降低。與高強度水平相一致，在77 K和298 K下，觀察到相當大的應變硬化率分別超過了15 GPa和4 GPa (圖3b)。在高溫下，FeNiCoAlTaB在873 K和1073 K分別保持超過800 MPa和500 MPa的抗拉強度。可見，FeNiCoAlTaB在77~1073 K溫度范圍內表現出優異的強度性能。

圖3c顯示了FeNiCoAlTaB合金與其他高性能金屬和合金，包括納米晶金屬、難熔金屬、鋼、高熵合金和高溫合金的抗拉強度隨變形溫度(77~1073 K)的變化關系。可以看出，FeNiCoAlTaB合金在77 K和298 K下的抗拉強度分別比其他金屬合金高35%~110%和20%~100%，并且在873 K和1073 K的高溫下仍保持與Inconel 625和Haynes 25合金相當的高溫強度。值得注意的是，在873 K和1083 K時，FeNiCoAlTaB高熵合金的抗拉強度分別比著名的等原子比CrMnFeCoNi Cantor高熵合金提高了70%和2.4倍。

圖3. FeNiCoAlTaB高熵合金在77~1073 K溫度范圍內的力學性能? 2022 Acta Materialia Inc.

• 77 K下的偽彈性

如圖3b所示，FeNiCoAlTaB合金在77 K下的變形表現出應變硬化的反常回升，在真應變為0.095時達到了18 GPa的應變硬化率；這比傳統的金屬和合金高出一個數量級。這種應變硬化率的上升與在形狀記憶或偽彈性合金中觀察到的類似，在這些合金中，可逆的馬氏體相變是活躍的。為了驗證FeNiCoAlTaB在低溫下偽彈性的存在，本工作在77 K進行了增量拉伸加卸載試驗，得到的77 K循環加卸載曲線如圖4a所示。如圖4a、b所示，FeNiCoAlTaB合金表現出典型的偽彈性行為，卸載時表現出較大的非線性可恢復應變。偽彈性與加工硬化能力增強的耦合表明發生了可逆的馬氏體相變，透射電子顯微鏡(TEM)證實了這一點。這里需要指出的是，大的應變回復率(84%)，特別是在小的外加應變下(2-3%)，不能歸因于異質結構金屬和合金中常見的傳統Bauschinger效應。值得注意的是，這種偽彈性行為在77 K的FeNiCoAlTaB高熵合金中普遍存在，其高應力水平超過了1.2 GPa，高達2.1 GPa。在具有偽彈性的傳統NiTi、Cu基和Fe基合金中無法實現這種超高應力水平。對于高性能的低溫高熵合金，如CrMnFeCoNi和CrCoNi，由于缺乏可逆的馬氏體相變而沒有偽彈性現象。因此，本工作認為FeNiCoAlTaB高熵合金是迄今為止報道的最強的塊體多晶合金，在低溫下還表現出偽彈性行為。這意味著該合金是作為高強度智能材料用于高阻尼或致動器應用于低溫環境的極佳候選材料，例如用于外層空間探索。

圖4. FeNiCoAlTaB高熵合金在77 K低溫下的偽彈性行為? 2022 Acta Materialia Inc.

[成果啟示]

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綜上所述，FeNiCoAlTaB高熵合金是一種多功能、非等原子比的合金，其優異的力學性能不僅體現在低溫或高溫下，還體現在寬泛的工作溫度范圍(77~1073 K)內。在低溫下，塑性變形中伴隨著應力誘發的馬氏體相變和納米孿晶，后者在馬氏體相中運行，這對合金的超高應變硬化率和優異的抗拉強度做出了顯著貢獻。由于薄板馬氏體的形成，該HEA在77 K下也可以實現偽彈性。這種異質結構HEA中的順序馬氏體相變策略成功地克服了77 K馬氏體相變過程中沿晶界的早期失效。在環境溫度下，異質形變誘導硬化和形變介導的微帶負責高應變硬化率和優異的拉伸強度和延展性能。在873 K時，γ′沉淀相強化是合金獲得高強度的首要因素。在1073 K時，隨著析出相的粗化和位錯回復的增加，位錯的解離和隨后堆垛層錯的形成導致的強化是高強度的主要原因。這種FeNiCoAlTaB合金微觀結構的設計，特別是在不同溫度范圍內創建一系列變形和強化機制，為在前所未有的工作溫度范圍內- -從低溫到高溫- -開發具有優異力學性能的多功能高熵合金提供了一種可行的策略。

第一作者：Cheng Zhang、Qin Yu、Yuanbo T. Tang

通訊作者：Enrique J. Lavernia、Robert O. Ritchie、Kenneth S. Vecchio

通訊單位：美國加州大學歐文分校、美國勞倫斯伯克利國家實驗室、美國加州大學圣地亞哥分校

論文doi：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118449

本文由溫華供稿。