中南大学《IJP》半共格纳米层状结构强化中熵合金宽温域力学性能

2025-07-21 11:08:21 作者：本网发布来源：材料学网分享至：

【文章信息】

题目：Achieving superior mechanical properties over a wide temperature range in NiCoVTa medium-entropy alloy via semi-coherent nanolamellar structure

第一作者：蔡伟金

通讯作者：王章维、黄伟颖、程度

单位：中南大学、长沙理工大学、上海交通大学

【导读】本研究采用扩散速率控制析出相粗化的策略，成功设计半共格纳米层状κ/γ双相结构来增强NiCoV中熵合金的析出强化效应。通过相图计算方法和密度泛函理论，确定了Ta是阻碍κ相粗化的有效抑制剂。结合κ相的快速形核动力学，能够在γ晶粒内形成高密度的纳米级半共格κ相。高密度相界面有效地阻碍了位错的移动，显著增强了NiCoV_0.9Ta_0.1合金的应变硬化能力，而界面的共格特性允许γ和κ相之间协调变形，有效地缓解了应力集中。这种独特的半共格纳米层状κ/γ复合结构，结合高温环境诱导产生的纳米尺度共格L1₂析出相，最终使NiCoV_0.9Ta_0.1中熵合金在77 K至923 K的宽温度范围内表现出优异的力学性能。通过集成计算技术和变形微结构的多尺度表征，本章研究系统阐明了纳米层状结构合金设计及其潜在的变形机制，为极端环境应用结构材料的研制与开发提供了重要见解。

【研究背景】NiCoV中熵合金如此优异的力学性能远远超过其他FCC单相合金，使其成为开发超强性能的新型模型合金。利用成分设计及热处理工艺调控，引入析出强化策略，可以有效阻碍位错运动，显著提高了FCC基NiCoV中熵合金的强度，例如广泛使用的σ、μ和Heusler等析出相。但析出相与基体较差的共格性容易导致严重的局部应力集中，致使塑性显著下降。

本研究采用扩散速率控制析出相粗化的策略，成功设计半共格纳米层状κ/γ结构来增强NiCoV中熵合金的析出强化效应。通过相图计算方法和密度泛函理论，确定了Ta是阻碍κ相粗化的有效抑制剂。结合κ相的快速形核动力学，能够在γ晶粒内形成高密度的超细半共格κ相。本章节研究提出了一种扩散速率控制析出相粗化的方法，用于制备半共格纳米层状结构增强的NiCoV_0.9Ta_0.1中熵合金，该合金在广泛的温度范围内表现出优异的强度-延性结合，为不同温度下的变形机制提供了见解。主要结论如下：

（1）利用CALPHAD和DFT计算，有效识别Ta元素并将其引入NiCoV中熵合金中形成κ片层。Ta固有的缓慢原子扩散速率成功地抑制了κ片层的增厚，导致NiCoV_0.9Ta_0.1中熵合金内形成超细、半共格的纳米片层结构。

（2）半共格的纳米层状结构强化的NiCoV_0.9Ta_0.1中熵合金在77 K变形时，屈服强度1.2 GPa，抗拉强度1.9 GPa，延伸率40.1%，在923 K变形时，屈服强度0.9 GPa，抗拉强度1.4 GPa，延伸率20.4%，展现出宽温域范围内卓越的综合力学性能。

（3）优异的强度源自于超细片层结构对位错运动的显著抵抗，以及显著的晶界强化和固有的高晶格摩擦应力。在923 K拉伸试验中析出的纳米尺度共格L1₂相补偿了屈服应力因晶格摩擦和晶界强化因高温环境而产生的退化。

（4）显著的应变硬化行为和极限抗拉强度归因于κ相和位错之间复杂的相互作用。具体而言，初期位错塞积在κ相处显著提高了应变硬化速率，而随后的位错剪切和层错激活则缓解了应力集中，协同稳定了塑性变形。此外，变形引起的位错亚结构，包括9R相、纳米孪晶和位错缠结，在77 K至723 K的温度范围内对高水平的应变硬化起了重要作用。

（5）923 K变形过程中形成的纳米尺度共格L1₂相与后续变形过程中的位错相互作用强烈，促进了大量层错的产生。这些层错之间的相互作用以及层错与κ片层之间的剪切相互作用导致了923 K时异常的高应变硬化。

相关研究成果以“Achieving superior mechanical properties over a wide temperature range in NiCoVTa medium-entropy alloy via semi-coherent nanolamellar structure”发表在《International Journal of Plasticity》，论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0749641925001524