《Scripta》：不规则形状析出相和锯齿晶界，让高熵合金性能更优！

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现代民用和工业应用(如飞机燃气涡轮发动机的叶片，直升机、火箭燃气轮机)对耐热金属材料的需求强烈，高强度、良好的均匀伸长率和800℃以上高温环境耐受性是研究人员的主要目标。长期以来，镍基高温合金一直是这些应用的最佳选择，现在正在努力提高耐热能力和蠕变强度，以提高推重比和燃油效率，然而这种进一步的改进现在几乎达到了瓶颈。最近，高熵合金(HEAs)已成为一类新的结构材料，开发的HEA通常由五种或更多主要元素组成。这种多元素概念提供了一个很大的空间来设计HEAs中的成分-结构-性质-机制相关性以实现所需的机械和化学性能，如高强度、高延展性、高韧性、高比强度等。目前对这些合金的机械性能和变形机制的研究大多集中在不超过800℃的温度下，很少研究温度在800℃以上时的性能及变形行为。

 

香港城市大学等单位的研究人员设计了一种新型的析出强化HEA ，服役温度有望达到1000℃及以上。在MNiHEA中引入了锯齿状晶界以消除应变软化和快速晶间开裂问题。系统地研究了微观结构、拉伸性能以及相关的变形和断裂机制。相关论文以题为“Multicomponent Ni-rich high-entropy alloy toughened with irregular-shaped precipitates and serrated grain boundaries”发表在Scripta Materialia。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114066

本文设计成分为Ni_46.23Co₂₃Cr₁₀Fe₅Al_8.5Ti₄W₂Mo₁C_0.15B_0.1Zr_0.02，设计原则如下：(1)添加Al和Ti以促进高密度L1₂析出相的形成，提高强度，采用较大含量的Al生成A1₂O₃膜以增强抗氧化性；(2)加入10%的Cr以形成Cr₂O₃薄膜，进一步改善抗腐蚀性和高温下的抗氧化性；(3)W和Mo合金化用于基体的固溶强化和促进析出相形核析出；(4)少量C、B和Zr用于晶界强化；(5)相应地调整Ni，Co和Fe的含量以稳定FCC (面心立方)基体。通过热处理工艺在MNiHEA中引入了锯齿状晶界(SEGB)，以消除应变软化和快速晶间开裂问题。

研究发现不规则析出相富含Ni、Al和Ti元素，而缺乏Co、Cr和Fe元素，基体中这些元素相反分布。鉴于化学计量具有A₃B型结构的L1₂相，以及元素在多组分L1₂晶格中的趋势，析出相为多组分(Ni,Co,Fe,Cr)₃(Ti,Al,Cr,W,Mo)L1₂相。SEGB的形成与相对较大的晶间析出相有关，由于基体和晶界之间的应变能差异以及沿晶粒的快速溶质扩散，析出相/基体界面的边界优先向晶界快速生长和增粗。平整晶界STG-MNiHEA样品的析出相通过Ostwald熟化机制而不是彼此聚结而粗化，这种粗化过程导致晶内和晶间析出相呈球状。

图1 STG-MNiHEA和SEG-MNiHEA的显微结构

图2 SEG-MNiHEA试样中不规则析出相的元素分布

图3 STG-MNiHEA和SEG-MNiHEA在室温(RT)和1000℃下的拉伸性能

图4 STG-MNiHEA试样在1000℃下拉伸后的断裂截面图和EBSD图

本文开发了一种新型HEA合金。SEG-MNiHEA克服了应变软化和快速晶间开裂的问题，表现出不寻常的连续应变硬化和脆韧转变，高温下抗拉强度提高至约260 MPa，均匀伸长率约为6.5%，本文结果证明了通过SEGB增韧析出强化HEA的强大实用性和有效性。此处采用的缓冷方法引入SEGB和不规则形状的析出相，简单易控，易于工业化生产，因此可用于生产多种SEGB结构的HEA和常规高温合金。本文的发现为未来设计用于高温结构应用的高性能析出强化HEA和高温合金提供了新的方法。（文：破风）