近日，上海大学材料学院博士研究生贾岳飞在轻质高熵合金领域取得重要进展，在《Advanced Science》发表题为“Efficient Coarse-grained Superplasticity of a Gigapascal Lightweight Refractory Medium Entropy Alloy”的研究论文（IF=17.5）。材料学院贾岳飞博士生为该文第一作者，孙康博士为通讯作者。

轻质高熵材料作为一类新兴的结构材料表现出强度高、密度低、高温性能优异等特点，有潜力成为下一代航空结构材料。然而，大多数轻质高熵材料，在室温下的塑性变形能力十分有限，绝大多数比较脆，难以加工成复杂形状的零件，这严重限制了轻质高熵合金的广泛应用。

超塑性是一种奇特的现象。具有超塑性的合金能像饴糖一样伸长3倍以上，既不出现缩颈，也不会断裂。超塑性合金可以用来生产具有复杂形状的高质量部件，应用于航空航天、化学和生物医学工程等领域。然而，目前大多数超塑性合金缺乏足够的强度，并且有很长的超塑性变形期，限制了其广泛的应用。一些由超细/纳米结构晶粒组成的合金可以实现高应变率的超塑性。然而，获得细小/纳米晶粒需要额外的晶粒细化过程，一般都很复杂且成本较高，如高压扭转、摩擦搅拌加工或等通道挤压等，这大大限制了这些材料的经济可行性。此外，为避免超细晶在变形过程中的晶粒长大，成型温度要足够低，这又与高应变速率需要更高的变形温度相矛盾。

为解决上述问题，该研究团队在粗晶粒和高强度的轻质难熔高熵合金中实现了鲜有的高应变速率粗晶超塑性，为轻质中、高熵合金的复杂成型及广泛应用提供了重要的研究基础。该研究团队通过对粗晶超塑性变形过程中微观组织演变进行系统的分析，提出了位错滑移诱发晶界动态再结晶，进而激发晶界滑移，这样的连续触发的“多米诺”粗晶超塑性新机制。这种新机制可以进一步指导新型高强度、粗晶超塑性材料的反向设计与开发。该研究因为不需要额外的晶粒细化过程，直接粗晶实现高应变速率超塑性成型，为高效的超塑性成形开辟了新道路，并且将粗晶超塑性材料应用拓宽到轻质-高强度领域。

总之，目前的研究发现，在千兆帕级LRMEA中实现了罕见的高应变率和粗粒度超塑性（＞440%），其微观结构是嵌入BCC基质中的超细颗粒。发现连续触发的“多米诺骨牌”超塑性机制阐明了超塑性变形行为。与传统以溶质阻力蠕变为主的粗晶合金变形不同，这种“多米诺骨牌”粗晶超塑性变形机理是一种多重变形机理，包括一系列位错滑动、动态再结晶和晶界滑动，可以像多米诺骨牌一样连续触发。微观结构演化分析的详细结果表明，在低试样伸长率下，粗晶粒内部存在DS，在中等伸长率下，DRX在粗晶边界区域产生细晶粒，超塑性伸长率下细晶颗粒中产生GBS。在这种粗粒超塑性过程中，超细颗粒在产生足以克服溶质拖曳效应的高变形应力、促进形成细晶区的动态再结晶和增强LRMEA强度方面发挥着重要作用。研究工作得到了国家自然科学基金和中国载人航天工程的资助。

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202207535

图1 HC-LRMEA样品的微观结构和机械性能。a） 具有重要生态和生物意义的可持续发展委员会IPF地图;b） XRD图谱;c）根据三种不同的IPF图计算出的粒度分布;d） 疯牛病图像显示颗粒内的不同颗粒;e） 显示阶相颗粒形态的STEM图像;f） STEM-EDS 线谱图显示了跨 BCC 基质和阶相颗粒的元素分布;g） 沿 <110> 方向的 HRTEM 和 BCC 矩阵和阶次相位的相应 FFT 图像;h） 室温拉伸工程应力-工程应变曲线;i） 先前在室温下报道的延展性BCC、FCC、HCP、BBC + HCP、FCC+BCC HEA的屈服强度与密度图

图2 HC-LRMEA样品的超塑性行为。A)拉伸下得到的工程应力-应变曲线在973、1073和1173 Kand温度下加载，应变速率为10-3和10-2s-1;b)在温度为973、1073和1173 K，应变速率为10-2 s-1条件下断裂的典型试样图像;c)在1173 K条件下，以5×10-4、1×10-3、5×10-3和1×10-2s-1 4种不同应变率进行应变率跳跃试验，得到应力-应变、o-g、曲线和应变率敏感性(m)值- 1/m为应力指数;D)粗晶粒超塑性变形后试样的硬度分布;(d)中的插图说明了硬度测试和硬度压痕的形貌;E)粗晶粒超塑性铝合金在高应变率(10- 2s -1)下的屈服强度与超塑性延伸率粗粒度镁合金,铌合金，[73]粗晶粒超塑性金属间化合物和粗晶粒超塑性钛合金。

图3 在1173 Kand应变速率为10-2s-1的条件下，形变试样的组织演化分别为I阶段(εs 2096)、Il阶段(εs 20096)和III阶段(s 40096)。a,d,g) IPF图，其中插图表示晶体方向;b,e,h)与(a)， (d)， (g)中IPF映射对应的KAM映射。c)阶段l的TEM-BF图像;f) (d)的DRX映射;i) (h)中所选区域对应的SEM图像，显示与晶界滑动(GBS)相关的区域和粉色箭头标记的空腔;j)超塑性变形后粗晶界的SEM图像;k) TEM-BF图像显示在富zr粒子边界处有许多纳米相;I)显示富zr粒子和条带纳米相的HRTEM图像;A区位于富zr粒子中;区域B位于矩阵中;区域“C”位于色带纳米相。

图4 （a-e)当拉伸应变为0、20%、100、150%和220%时，粗粒HC-LRMEA试样观察到的变形过程EBSD表征和示意图:1个IPF图;2张KAM地图;3个说明其作用变形机制的示意图。f)粗晶粒区亚晶粒和细DRX晶粒带示意图;G)粗晶粒变形机理示意图;h)显示精细DRX晶粒带中晶界滑动的示意图。