导读:本文采用粉末热挤压再退火法制备了一种由非再结晶和再结晶晶粒组成的双相AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金。所得合金具有优异的抗拉性能，屈服强度为~ 1.2 GPa，极限抗拉强度为~ 1.5 GPa，均匀伸长率为~ 18%。这种多尺度显微组织通过激活显著的异质变形诱导(HDI)应力导致AlCoCrFeNi2.1合金异常应变硬化。这项研究为通过双相异质组织设计制造高性能结构材料提供了一种有效的方法。

强度和延展性是交通运输、航空航天和先进能源系统等结构应用中材料最关键的机械性能之一。不幸的是，这两种性能通常是相互排斥的，被称为强度-延性权衡。异质结构作为打破强度-延性悖论的有效手段，在材料科学领域迅速兴起。异质结构材料是指具有非均质片层/层状结构、双峰结构、梯度结构、多相结构等体系结构的材料。这些非均质结构由硬域和软域组成它们可以协同变形并产生增强的强度-延性协同作用。

近年来，一种名为“高熵合金”的新型合金设计范式引起了极大的关注。高熵合金通常含有接近等原子比例的五种或更多不同元素的高浓度。这种与基于一种主要金属元素的传统合金的根本背离，将合金设计空间从相图的角落转移到更宽敞的中心区域，这为材料开发开辟了一个新的舞台。在高熵合金中，共晶高熵合金是一类很有前途的材料，它可以形成双相片层微观结构，因此具有实现优异力学性能的巨大潜力。为了进一步提高共晶高熵合金的力学性能，人们发展了热机械处理以获得非均相结构。然而，这些用滚压法加工的高熵合金通常有一个固有的限制，即只能制备几百微米厚度的带状样品。与冷轧方法相比，热挤压工艺结合了热压实和机械加工，可以生产出用于商业应用的大尺寸部件，生产效率高，表面质量好。迄今为止，热挤压工艺已广泛应用于纯金属、复合材料等粉末冶金加工。所制备的构件表现出充分致密的显微组织和优异的力学性能。

在目前的工作中，厦门理工学院彭思远博士联合华南理工大学、美国马萨诸塞大学和河海大学制备AlCoCrFeNi2.1 共晶高熵合金样品通过粉末热挤压，然后退火工艺。退火态的AlCoCrFeNi2.1 共晶高熵合金试样表现出非均匀的显微组织，具有1182± 15 MPa的高屈服强度和17.5± 1.1%的大的均匀延伸率的优异组合，远远超过其他热机械加工的AlCoCrFeNi2.1 共晶高熵合金和常规合金如Al合金、Cu合金、Mg合金和Ti合金。

相关研究成果以“High strength and ductility in a dual-phase hetero-structured AlCoCrFeNi2.1 eutectic high-entropy alloy by powder metallurgy”发表在Materials Research Letters上

链接：https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/21663831.2024.2332608 

图1 (a)挤压后的棒材。EBSD (b, g, l) IPF图，(c, h, m)相图，(d, i, n) KAM图，(e, j, o)再结晶图，(f, k, p)晶粒尺寸显示了(b - f) AE、(g - k) AE-400和(l - p) AE-A600样品的晶粒取向、相组成、位错分布、再结晶行为和晶粒尺寸。这些EBSD地图使用(b)中相同的比例尺。

图2 AE (a-g)和AE-A600 (h-o)样品的TEM显微图。(a)显示AE样品中的退火孪晶和位错。(b) FCC相和B2相的亮场TEM图像(分别用红点和绿点表示)。(c)变形区位错缠结。(d)和(e)为AE样品中FCC和B2相的SAED模式。(f)和(g)分别为FCC相和B2相的HRTEM图像。(h)为AE-A600样品的TEM图像，(i)和(j)分别为AE-A600样品中FCC相和B2相的黄色圆圈表示的超晶格SAED模式。(k)为FCC区域的暗场TEM图像。(l)示B2区纳米析出物。(m)为FCC区域的HRTEM图像，插入图像为相应的快速傅里叶变换(FFT)模式。(n)为FCC/B2区域接口。(o)显示B2/BCC区域的tem映射。

图3 粉末热挤压AlCoCrFeNi2.1合金的拉伸性能。(a) AE、AE-A400和AE-A600试样的工程应力-应变曲线和(b)加工硬化率。(c)与铸态和热机械加工AlCoCrFeNi2.1合金相比，我们的AlCoCrFeNi2.1合金的极限抗拉强度与均匀伸长率。(d)与其他粉末热挤压合金相比，AlCoCrFeNi2.1合金的极限抗拉强度与均匀伸长率。

图4 AE-A600拉伸应变过程中变形子结构演化。(a, e, i) EBSD IPF图，(b, f, j) KAM图和(c-d, g-h, k-l) TEM图，拉伸应变为(a - d) 2.5%， (e - h) 5%， (i - l) 13%。TEM图像中的白色虚线表示FCC/B2相边界。

图5 (a) AE、AE- a400和AE- a600试样的加载-卸载-再加载(LUR)真应力-应变曲线。(b)显示迟滞回线的代表性LUR周期。(c) AE、AE- a400和AE- a600试样拉伸变形时的HDI应力与真应变的关系。

结论：本研究通过粉末热挤压后退火处理，成功制备了具有双相异质组织的AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金。由于相界的阻隔作用，在FCC相和B2相的界面处发生了明显的位错缠结和堆积，位错的多重作用使得应变硬化程度更高。其中，GNDs的积累产生的HDI硬化是主要的强化机制，导致了优异的应变硬化。AE-A600试样屈服强度高的主要原因是FCC相和B2相中的晶粒细化和纳米析出。这项工作为设计具有良好强度和延展性的先进结构材料提供了新的机会，可用于许多应用，包括航空航天，汽车，燃气涡轮发动机和许多其他高附加值行业。