导读：多晶合金在中温状态下出现严重的晶间脆化，这限制了它们的安全应用。非均相柱晶结构带来的晶间增韧效应，有助于在高温下恢复延展性。然而，储存的变形能可以作为再结晶的驱动力，导致异质结构在热力学上不稳定。在这项研究中，我们仔细研究了非均质柱晶组织的显微组织稳定性和相关的高温力学性能。金属间相的析出不仅消耗了变形能，降低了再结晶的驱动力，而且阻碍了位错重排，对晶界产生了钉扎作用。异质结构在高达800°C(~ 0.7熔融温度)的温度下表现出优异的热稳定性。这些发现不仅促进了对中温晶间脆化行为的机理认识，也为开发新一代高韧性高温结构材料提供了有希望的途径。

高熵合金(high-entropy alloys, HEAs)的出现为设计用于结构应用的高级合金提供了多种元素组合。在面心立方(FCC)高熵基体中引入相干纳米颗粒可显著增强合金，并且不会造成严重脆化，这为开发新一代强而韧性的结构材料提供了思路。这种沉淀硬化HEAs (PH-HEAs)在从低温到高温的广泛温度范围内表现出优异的力学性能。例如，由于明显的位错交叉滑移事件，已经观察到微带状，从而在室温下产生优越的强度-塑性协同作用。更有趣的是，由于基体相的层错能较低，随着低温变形的进行，层错逐渐形成，导致动态微观组织细化，从而具有明显的加工硬化能力。动态霍尔-贴片效应使材料的抗拉强度达到1.7 GPa，在77 K时塑性达到51%。高密度纳米颗粒还能有效阻止位错移动，提供明显的高温硬化效果。通过精心定制合金添加，纳米颗粒可以稳定在1150°C以上的温度，进一步扩大了这些PH-HEAs的使用温度。

尽管研究人员在高温环境下应用PH-HEAs取得了令人瞩目的成果，但严重脆化的存在严重限制了PH-HEAs在中温环境下的安全使用，这已成为限制其在高温环境下更广泛工程应用的瓶颈。镍基高温合金、高强钢、钛合金和新开发的PH-HEAs、均存在中温脆化。中温段的塑性明显低于低温段和高温段，并伴有突变晶间断裂。这种脆化的起源可归因于脆性物质的晶间脆性相形成和/或非平衡界面偏析。在塑性变形过程中，晶间的Heusler相作为裂纹萌生和扩展的优先位置，导致严重的脆化。通过调整热处理路线，可通过双相时效消除晶间的Heusler相，从而恢复中温塑性。需要指出的是，晶界特征作为一种重要的微观结构特征，在决定多晶材料的物理化学和力学性能方面起着至关重要的作用。仔细调整热机械加工参数，构建了非均质柱状颗粒PH-HEAs。由于大尺寸柱状晶粒的存在和高能高角随机晶界(HARGBs)的减少，非均质柱状晶PH-HEAs不受中温脆化的影响。

对此，哈尔滨工业大学（深圳）材料科学与工程学院魏军教授团队进行了研究。相关研究成果以题“Heterostructure high-entropy alloys with exceptional thermal stability and resistance towards intermediate temperature embrittlement”发表在Journal of Materials Science & Technology上。

链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030224000562

图1 (a) 制备非均质柱晶结构PH-HEAs的热处理路线。(b)制备试样的代表性显微组织，既有柱状晶区，也有等轴晶区。放大后显示柱状晶区与等轴晶区之间的界面。高密度的纳米沉淀物具有双峰尺寸分布。(c) γ-基体和γ′-纳米沉淀物的元素分布揭示了纳米尺度的元素分配行为。Ni、Al和Ti元素在γ′-析出相中被强烈分配，而Co、Fe和Cr元素则从析出相中被耗尽。(d)根据成分杠杆规则确定γ′相分数为38.3%。

图2 热暴露下非均质柱粒结构的显微组织演化。(a)在800°C下热暴露24 h的样品获得的反向极图图和GND密度图;(b) 800°C加热120小时;(c) 1000°c保温24 h。相应的显微组织特征也得到了。(d)地地密度频率分布表。

长期热曝光后的代表性EBSD图像如图2所示。

图3 (a)不同热暴露条件下非均质柱晶试件高温拉伸试验的代表性应力-应变曲线。800℃退火(b) 24 h， (C) 120 h后，试样断口出现细小的韧窝。(d) 1000℃热暴露后试样出现严重的晶间断裂。(e)粗柱状晶粒阻碍了微孔洞向微裂纹的贯通。并给出了拉伸破坏后试样的GND密度图和IPF图。

图4 非均质柱粒结构在长期热暴露下的显微组织演变示意图。800℃长期退火后，其保留的非均匀柱晶组织通过抑制晶间裂纹表现出显著的增韧效果。

仔细研究了非均质柱晶结构的显微组织稳定性。高密度金属间相的析出消耗了变形能，降低了再结晶的驱动力。此外，高密度的析出相有效地阻碍了位错重排，并对晶界产生了钉住作用。因此，异质结构在高达800°C (~ 0.7Tm)的温度下表现出优异的热稳定性。本文还定量分析了控制非均质柱晶组织热稳定性的相互竞争的动力学因素，即由高密度析出物引起的恢复变形能和齐纳钉扎压力所提供的再结晶驱动力。在非均质柱晶组织中存在大尺寸柱晶，通过破坏hargb之间的连通性，抑制裂纹的萌生和扩展，产生了晶间增韧效应，从而获得了优异的中温拉伸延展性。非均质结构设计策略可应用于其他具有类似组织的金属合金，如变形镍基高温合金和析出硬化铝合金，为开发新一代高韧性高温结构材料提供了一条有希望的途径。