导读：本文开发了一种新型沉淀强化多元富镍高熵合金 (HEA)，即使在 1000°C 的温度下也不会发生应变软化。由于晶间开裂的快速发生，具有球形析出物和直晶界的 HEA 变脆，表现出较差的抗拉强度~220 MPa，均匀伸长率不足，仅为 ~1.9%。锯齿状晶界结构有效地克服了这种晶间开裂问题。所得的具有不规则形状沉淀物和锯齿状晶界的 HEA 显示出脆性到韧性的转变，提供高达 ~260 MPa 的优异强度，同时保持 ~6.5% 的均匀伸长率。这种强度和延展性的提高归因于锯齿状晶界对晶间裂纹形核和扩展的抵抗力增强。该结果为具有优异机械性能的高温结构材料的创新设计提供了一种新方法。

具有高强度、足够均匀伸长率和800°C以上高温环境耐受性的耐热金属材料是现代民用和工业应用的迫切需求，例如飞机、直升机和火箭的燃气涡轮发动机的叶片和盘和陆基燃气轮机。长期以来，镍基高温合金一直是这些应用的最佳选择。现在正在积极寻求进一步提高高温能力和蠕变强度，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他们的瓶颈。最近，高熵合金 (HEAs) 已成为一类新的结构材料。开发的 HEA 通常由五个或更多主要元素组成，也可能包含次要元素以优化总构型熵至少为 1.5 R（R是气体常数）的属性。

这种多原理元素概念扩大了相图中较宽的中心区域的成分选择，获得所需的机械和化学性能，如高强度、高延性、高韧性、高比强度和优异的高温强度以及良好的耐腐蚀性能，以满足各种服务应用。其中，由共格l12型纳米颗粒强化的沉淀硬化HEAs由于其在77 K到环境温度之间具有极强的强度-延展性协同效应而显示出了巨大的潜力。通过仔细控制晶界沉淀来消除脆性相的沉淀，或控制晶界类型和分布来构建非均匀的柱状晶粒微结构，这些纳米颗粒强化的HEAs在700-800℃的中等温度下表现出了极高的强度和可观的延展性。由于熵对温度的乘积比焓对温度的乘积演化更明显，因此在较低的自由能下，基体和析出相的相稳定性在高温下都得到了增强。纳米沉淀物强化HEAs具有良好的高温力学性能，然而，目前对这些合金的力学性能和变形机制的研究大多集中在不超过 800°C 的温度下，而很少研究它们在 800°C 以上的温度下的行为。

此外，纳米沉淀强化的HEA存在严重的应变软化问题，应变软化问题导致这些材料容易出现偶尔过载和不希望的塑性不稳定性。一旦开始塑性变形，就会发生快速连续的颈缩到一点，这不可避免地导致均匀伸长率差，长期使用会带来严重的使用不可靠性和安全风险。随着温度、晶界变得比晶粒内部更弱，另一个关键问题，快速晶间开裂，例如沿晶界开裂，可以预见在高温下会变得更加强烈。快速的晶间开裂导致试样过早断裂，这也导致了较差的均匀延伸率。

在此，香港城市大学刘锦川院士团队设计了一种新型的沉淀强化HEA，并有望耐受 1000°C 及以上的使用温度。我们首先使用 TTNI8 数据库仔细评估了 CALPHAD（计算PHAse Diagrams）技术辅助的 Ni-Co-Cr-Fe-Al-Ti-W-Mo 系统，最后设计了一种新型的多组分富镍 HEA（MNiHEA） Ni 46.23 Co 23 Cr 10 Fe 5 Al 8.5 Ti 4 W 2 Mo 1 C 0.15 B 0.1 Zr 0.02。我们用来筛选该目标成分的标准可以描述如下：1) 添加 Al 和 Ti 以生成高密度 L1 2析出物的形成进行沉淀硬化；2) 掺杂 10 at.% 的 Cr 以形成 Cr 2 O 3膜以进一步改善热腐蚀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析出物的缓慢粗化动力学；4）微合金化少量C、B和Zr用于晶界强化；5) 相应地调整 Ni、Co 和 Fe 的浓度以稳定 FCC（面心立方）基体。随后，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。相关研究成果以“Multicomponent Ni-rich high-entropy alloy toughened with irregular-shaped precipitates and serrated grain boundaries”为题发表在Scripta materialia上。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646221003468

图1。STG-MNiHEA 和 SEG-MNiHEA 试样的显微结构。(a) Thermo-Calc 预测的 MNiHEA 的平衡相图。(b-d) STG-MNiHEA HEA标本。b，代表性 SEM 图像。颗粒内部 (GI) (c) 和 STGB (d) 处的球形沉淀。(e-g) SEG-MNiHEA 标本。e，典型的 SEM 图像。在晶粒内部 (f) 和 SEGBs (g) 内有不规则形状的沉淀物。(h) XRD 曲线。(i) SEG-MNiHEA 样品的 TEM 暗场 (DF) 图像。插图是选区电子衍射 (SAED) 图案。(j) 高分辨率 TEM (HR-TEM) 图像。右边的插图分别是相应的 FCC 矩阵和 L1 2沉淀物的快速傅立叶变换 (FFT) 图像。

图2。SEG-MNiHEA 试样不规则形析出物的元素分布分析。(a) EPMA地图。(b) 3D-APT 收集的 Ni、Co、Cr、Fe、Al、Ti、W 和 Mo 元素的原子图。(c) 在 FCC 基质/L1 2沉淀界面上构建的邻近直方图。

图3。STG-MNiHEA 和 SEG-MNiHEA 试样在室温 (RT) 和 1000°C 下的拉伸性能。分别在室温 (a) 和 1000°C (b) 下的单轴拉伸工程应力-应变曲线。（c）中在1000℃的SEG-MNiHEA试样的强度和均匀伸长率的优异组合与一个不寻常SEGB增韧相比各种常规锻造镍基超合金，以前HEA与和STG-MNiHEA对应物。“开口”符号表示屈服强度，“半开口半实心”符号表示抗拉强度， 分别。(d) 在 1000°C 下拉伸的断裂 STG-MNiHEA 和 SEG-MNiHEA 试样的典型 SEM 断口图。左右插图是标记矩形区域的放大视图。

图 4。(a-d) 在 1000°C 下拉伸的断裂 STG-MNiHEA 试样的侧面。a，SEM图像。TD，拉伸加载方向。在EBSD带对比度（BC）图（b）中，反极图（IPF）图（c）和内核平均方位差（KAM）图（d）中选择的区域的图4一个。在插图图4 c是标记区，在放大显示图4 ℃。(e-h) 在 1000°C 下拉伸的断裂 SEG-MNiHEA 试样的侧面。e，SEM图像。EBSD BC图（f）中，IPF图（g）中，在标记的区域的放大视图的KAM地图（H）图4即

总之，我们成功地开发了一种新型 Ni 46.23 Co 23 Cr 10 Fe 5 Al 8.5 Ti 4 W 2 Mo 1 C 0.15 B 0.1 Zr 0.02 (at.%) MNiHEA，使用计算辅助的CALPHAD方法通过相干 L1 2沉淀物强化。SEG-MNiHEA 试样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，拉伸强度提高高达~260 MPa，均匀伸长率分别高达~6.5%。我们的研究结果已经证明了强大的实用性和高温增韧析出强化的效果HEA与通过SEGB架构。此处采用的缓慢冷却方法引入 SEGB 和不规则形状的析出物，简单易控制，易于被工业过程采用，因此可用于生产许多 SEGB 结构的 HEA 和常规高温合金。增强强度-延展性协同作用。因此，我们目前的研究结果为未来设计用于高温结构应用的高性能沉淀强化 HEA 和高温合金提供了一种新方法。