香港理工《Nature》子刊：2GPa屈服+16%均匀塑性！超高强高塑新型高熵合金

2020-12-09 13:50:36 作者：本网整理来源：材料科学与工程分享至：

具有超高强度和高塑性的金属材料是航空航天、交通运输、能源电站等战略工程领域迫切需求的结构材料。其中，纳米片层材料因其超高强度等优良特性而倍受学术界和工业界青睐，但室温塑性差（延伸率低于5%）是制约其工程应用的瓶颈问题。

最近，香港理工大学焦增宝博士团队、香港城市大学刘锦川院士团队和中科院金属所研究人员合作，提出了共格纳米片层合金的设计理念，成功的开发出具有超高强度（屈服强度>2GPa）和高塑性（均匀延伸率16%）的新型高熵合金，克服了金属材料的强塑性矛盾，为高性能金属材料的开发带来了新的研究思路。香港理工大学为论文第一单位，通讯作者为香港理工大学焦增宝博士和香港城市大学刘锦川院士，第一作者为香港理工大学博士生范磊，合作者还包括香港城市大学杨涛博士、赵怡潞博士、栾军华博士，金属所周刚博士、王皞博士，论文以“Ultrahigh strength and ductility in newly developed materials with coherent nanolamellar architectures”发表在Nature Communications上。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-20109-z

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本研究以（Ni1.5FeCoCr0.5）87.5Al7.5Ti5.0高熵合金为模型，通过热处理工艺抑制颗粒状L12相的连续析出，调控片层状L12相的不连续析出，获得了均匀分布的FCC+L12全片层纳米组织（30-40纳米），FCC和L12片层呈完全共格关系。合金的屈服强度超过2GPa，均匀延伸率达16%，获得了超高强度和高塑性的良好匹配，克服了传统金属材料的“强度-塑性矛盾”。

共格纳米片层高熵合金的超高强度主要来自于高密度的FCC/L12界面强化，高塑性也与FCC/L12界面密切相关：1）当应力超过屈服强度时，共格界面有利于位错穿越界面，避免界面的位错塞积和应力集中；2）共格界面有利于位错的长程滑移，促进材料的均匀变形；3）FCC相的层错能较低，产生了大量的层错网络结构和“Lomer-Cottrell位错锁”，提高了材料的加工硬化能力；4）L12片层具有多组元的特性，与传统的简单金属间化合物相比，具有高塑性的特点。

除了超高强度和高塑性外，共格纳米片层高熵合金还具有组织均匀等优点，等轴晶尺寸均匀且无取向性，材料力学性能稳定。另外，传统纳米片层一般通过叠轧、物理或化学沉积等方法制备薄片或薄膜，而共格纳米片层高熵合金通过相变形成纳米片层，可通过传统铸造和热处理工艺制备大尺寸块体材料，有利于促进材料的结构应用。

图1. 共格纳米片层（CNL）合金的拉伸性能

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图2. 共格纳米片层合金的微观组织：（a） TEM明场像，（b） TEM暗场像，（c） FCC/L12片层尺寸统计，（d） FCC/L12共格界面，（e） APT表征纳米片层图片

图3. 共格纳米片层合金的变形机理：（a-c）分别为变形2%, 5%和16%的组织，（d）为（c）的放大图，显示出高密度层错网络结构和LC位错锁图片

图4.共格纳米片层合金与传统片层合金/纳米合金的力学性能比较

综上所述，本研究开发了具有超高强度和高塑性的共格纳米片层高熵合金，克服了金属材料的强塑性矛盾，在航空航天、交通运输和能源电站等关键领域有重要的应用潜力。本研究提出的共格纳米片层合金的设计理念，有望应用于高温合金、钛合金、超级钢等其它金属材料体系。

通讯作者：

焦增宝博士，香港理工大学机械工程学系助理教授。2010年于北京科技大学吕昭平教授研究组获硕士学位，2014年于香港城市大学C.T. Liu院士研究组获博士学位，2016年于麻省理工学院Christopher A. Schuh院士研究组从事纳米金属材料研究，2017年加入香港理工大学。研究兴趣主要集中在超高强度钢、高熵合金、高温合金和纳米晶的合金设计和组织性能调控，以及纳米结构材料的三维原子探针（APT）表征。发表在Science、NatureCommunications、Materials Today、ActaMaterialia等期刊论文五十余篇，担任Acta Materialia、Scripta Materialia、Intermetallics等期刊审稿人。

刘锦川院士，香港城市大学材料科学与工程系大学杰出教授，美国工程院院士，中国工程院外籍院士，台湾中央研究院院士。于美国布朗大学获得博士学位，1967年进入美国橡树岭国家实验室，先后担任研究员暨高级研究员、合金行为与设计部门主任、资深研究院士，1988年获得美国总统奖之一劳伦斯奖，1998年获得布朗大学杰出校友金质奖章，2004年当选为美国国家工程院院士，2005年当选中国工程院外籍院士，2006年获得中国政府友谊奖。主要从事先进金属材料的研究工作。

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