西交大孙军院士团队: 超高热稳定性共格纳米相调控中熵合金变形机制

2022-07-13 16:44:10 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

近年来，多主元中/高熵合金的出现开创了金属材料设计的新理念，并且这类材料具有突破传统合金材料诸多性能极限的潜能。尤其具有优异的综合力学性能。其中单相面心立方(FCC)结构的NiCoCr中熵合金是典型代表。然而，单相NiCoCr中熵合金虽然具有超高的断裂韧性和拉伸延性，但其较低的屈服强度限制了其工程应用。

近日，西安交通大学孙军院士团队的D.D. Zhang等人针对这一问题，通过在NiCoCr合金中引入高密度的纳米共格L12相以提高其力学性能。不同于之前报道的以Al和/或Ti元素作为纳米相形成元素，为避免过量Ti会促进粗大Heusler相的形成而严重降低材料塑性，该研究用Ta元素替代了Ti元素并结合价电子浓度准则设计了一种新颖的具有“FCC+nano-L12”结构的纳米共格相强化(NiCoCr)92Al6Ta2中熵合金。更重要的是Ta不仅可以作为纳米相的形成元素提高纳米相的体积分数，而且其低扩散速率会大幅度降低纳米相的粗化速率，从而有利于其组织稳定性并提高温其力学性能。而且，较大原子尺寸的Ta元素诱发强烈固溶强化效应的同时，会进一步提高材料的蠕变持久寿命和抗氧化性能。

此外，鉴于纳米相的显著强化效果，研究者大多关注强化机制的纳米相尺寸效应，比如当纳米相尺寸较小并与基体共格时为切过机制，而当颗粒尺寸超过临界值或非共格时为绕过机制。然而，对于纳米相如何影响高熵合金的变形机制却鲜有报道。针对上述几个问题，该研究系统研究了1)纳米共格相的强韧化效应；2)材料变形机制的纳米相特征依赖性；3)纳米相的粗化动力学行为，并进一步揭示了其内在机理。该研究成果日前以“A strong and ductile NiCoCr-based medium-entropy alloy strengthened by coherent nanoparticles with superb thermal-stability”为题发表在金属材料领域权威期刊JMST上。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2022.06.012

研究结果表明：

(1) 强化机制理论计算表明纳米共格相贡献了最大的强化效果，并与其他强化机制的协同效应使合金具有高强度（YS~1.0GPa，UTS~1.5GPa）的同时依然保持较高的塑性（~20%）；

(2) 发现材料基体的变形机制呈现出一种纳米颗粒特征的依赖性。具体而言，当颗粒尺寸较小、密度较高、间距较窄时，材料的变形机制以平面位错滑移为主；而当纳米颗粒尺寸较大、密度较低、间距较宽，大量层错主导基体变形，这也导致材料较高的加工硬化能力。这种变形机制的转变是基体层错能差异、外加应力以及不同间距约束效应耦合作用的结果。这一发现也为通过改变纳米强化相特征而调控金属材料变形机制并进一步优化力学性能提供了一种新的思路；

(3) 扩散控制的纳米颗粗化动力学行为遵循改进的LSW熟化模型。而且，含Ta元素的NiCoCr-AlTa合金中的纳米颗粒呈现出超高的热稳定性，其粗化速率比传统镍基高温合金低1~3个数量级，并且显著低于报道的不含Ta的高熵合金体系中的纳米颗粒的粗化速率。所设计合金中纳米颗粒的这种优异抗粗化能力源于Ta元素的关键双重作用和高熵合金的迟滞扩散效应。这一结果表明该合金体系也可能在高温服役环境下具有广阔前景，并为设计高热稳定性纳米相强化合金提供一定的指导。