在过去的几十年中，多主元合金（MPEAs）或多组分合金，通常以中到高的构型熵为特征，因其多样且优异的性能而成为传统金属材料在结构应用中的极具前景的替代品。迄今为止，通过复杂的热机械加工，一些MPEAs已经解决了强度和延展性之间的矛盾。例如，Co34.46Cr32.12Ni27.42Al3.00Ti3.00、FeCo0.8V0.2、Al0.2CoNiV、Fe58.98Ni31.70Al6.00Ti3.00Zr0.10C0.20B0.02、Al0.5Cr0.9FeNi2.5V0.2和AlCoCrFeNi2.1合金。Fan等人设计了一种Ni32.8Fe21.9Co21.9Cr10.9Al7.5Ti5.0 MPEA，具有一致的纳米层状结构，表现出超过2 GPa的屈服强度和16%的均匀拉伸延展性。MPEAs的持续进展突显了其作为下一代超强且延展性材料在结构应用中的潜力。总体而言，MPEAs的显著机械性能依赖于四个核心强化机制，即固溶强化、晶粒细化强化、第二相强化和加工硬化。其中，第二相强化机制在提高拉伸载荷下的强度方面表现出特别高的有效性。通过操控合金成分和优化热机械处理，可以在饱和固溶基体中引入亚微米至纳米级析出物，以促进变形过程中的位错堆积和增殖。

与包括MPEAs在内的人造合金相比，自然界进化的生物材料通常在多个长度尺度上表现出大的成分和结构异质性。一个典型的例子是皮质骨，其中胶原分子和羟基磷灰石纳米晶体在纳米尺度上组装成矿化胶原纤维。纤维进一步组装形成纤维（直径约1 μm）、层板（厚度约5 μm）和骨单位（直径约200 μm），这些结构特征在多个长度尺度上协同作用以增强和增韧。这种分层异质结构赋予生物材料在不同区域和长度尺度上产生良好的强度和断裂韧性组合。最近的研究表明，引入类似的分层异质性在提高应变硬化和促进金属和合金的均匀拉伸延展性方面具有良好的有效性。在这种情况下，热机械加工（如均质化、热轧、热锻、热挤压、退火和时效）已被证明是一种构建此类结构的可行方法，以触发一种或多种强化机制，从而规避强度-延展性权衡。然而，现有的在MPEAs中创建分层异质性的策略通常涉及复杂且耗时的多阶段热机械处理。相比之下，直接铸造无需后续变形加工，通过实现复杂形状部件的成本效益高的批量生产，展示了独特的优势。然而，铸态MPEAs在拉伸中通常表现出高强度但低延展性，或反之亦然。因此，如何在不采用复杂热机械加工的情况下，通过直接铸造开发高性能MPEAs仍然是一个挑战。

在本研究中，通过用廉价的Fe替代昂贵的Co，并同时在CrFeNi系统中引入Al和Ti元素，成功解决了上述问题。基于系统的热力学计算对相形成的评估，优化了5 at.% Al和5 at.% Ti添加的合金成分，以在合金中构建分层异质结构，其中包括在FCC基体内形成一致的L12纳米颗粒以及在BCC晶粒内析出多层次颗粒。通过制造的Cr30Fe30Ni30Al5Ti5铸造MPEA（1R < 混合熵（ΔSmix = 1.38R）< 1.5R）验证了这种设计策略，由于位错与多尺度析出物之间的协同作用，提供了卓越的强度-延展性组合。进一步研究了结构和变形行为的细节，以阐明微观结构的形成和强化/延展机制。

图文导读

图1 Cr30Fe30Ni30Al5Ti5铸造多主元合金的成分设计与相分析。a-c) 相形成与计算热力学参数的关系：a) VEC与δ的关系，b) Ω与δ的关系，以及c) ΔHmix与δ的关系，在(CrFeNi)100-x-yAlxTiy合金中。d, e) VEC、ΔHmix及相组成对(CrFeNi)100-xAlx和(CrFeNi)100-xTix合金中Al或Ti含量的依赖性。f) Cr30Fe30Ni30Al5Ti5多主元合金的计算平衡相图，展示了相体积分数与温度的关系。

图2. Cr30Fe30Ni30Al5Ti5铸造多主元合金的分层异质结构。a-d) 随着放大倍数的增加，显示MPEA的复合结构及BCC区域内的分层沉淀物的SEM和明场(BF)透射电子显微镜(TEM)图像。e) FCC区域的高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)图像（插图：快速傅里叶变换(FFT)模式）。f) L12颗粒的重建逆傅里叶变换(IFFT)图像。g) BCC基体中核心-壳结构NL颗粒的BF-TEM图像（插图：沿[100]和[110]区轴的选区电子衍射(SAED)模式）。h) g)中框选区域的HRTEM图像（插图：BCC基体、η-Ni3Ti壳和L21核心的FFT模式）。i) 核心-壳结构NL颗粒的元素分布（壳结构由青色箭头指示）。j-m) j, k) B2 (NM)和l, m) η-Ni3Ti (NS)颗粒的HRTEM和重建IFFT图像（插图：FFT模式）。n) NM和NS颗粒的元素分布。IFFT图像是使用其对应FFT图像中的圈定空间频率重建的。

图3. Cr30Fe30Ni30Al5Ti5铸造MPEA的单轴拉伸性能与其他合金的比较。a) Cr30Fe30Ni30Al5Ti5铸造MPEA与具有FCC和FCC + BCC结构的CrFeNi合金的拉伸工程应力-应变曲线，以及含有纳米沉淀物的CrFeNiNb0.158和(CrFeNi)96Ti4合金的比较。b) Cr30Fe30Ni30Al5Ti5铸造MPEA与在CrFeNi体系中经过复杂多步热机械处理的其他MPEA的σu与εe的比较。c，d) c) Cr30Fe30Ni30Al5Ti5铸造MPEA与其他铸造MPEA（IMC：金属间化合物）的σu与εe的比较，以及d) σu × εe与σy的比较。

图4. Cr30Fe30Ni30Al5Ti5铸造多主元合金在断裂后的形态及微米至纳米级结构。a, b) a) 侧面和b) 断裂表面的宏观至微观断裂形态。c) 断裂后多主元合金的扫描电子显微镜(SEM)图像及相应的d) 带对比度图，e) 相图，f) 取向分布函数(IPF)图和g) 关键区角度分布(KAM)图。HAGB: 高角度晶界。h) 变形面心立方(FCC)框架的透射电子显微镜(BF-TEM)图像（插图：包含缠绕位错区域的相应快速傅里叶变换(FFT)模式）。i) 沿[110]方向拍摄的高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)图像。j) i) 中框定区域的放大图，显示3个晶格位错的伯杰斯回路。k, l) 变形体心立方(BCC)晶粒的BF-TEM图像。m) 微带剪切L21颗粒的示意图。n) HRTEM图像及o) BCC/η界面处的相应广义位移场(GPA)应变场（由k)中的红框框定）。n) 中的插图为BCC（上）和η（下）相的FFT图像。p) HRTEM图像及q) BCC基体的相应GPA应变场（由l)中的蓝框框定）。

图5. 示意图展示了铸造多主元合金中分层异质结构的演变及其机械作用。a) 在固化过程中形成包含多尺度析出物的异质结构的过程。b) MPEA的变形机制示意图以及分层异质结构在增强材料和分散应变中的机械作用。阶段I：弹性-塑性变形；阶段II：塑性变形；阶段III：损伤至断裂。

结论

本研究设计并制造了一种多组分Cr30Fe30Ni30Al5Ti5铸造多主元合金（MPEA），其具有经过精心调控的分层异质结构，涉及微米到纳米级的析出物。这种结构赋予了MPEA在铸造状态下卓越的机械性能，其强度-延展性组合超过了其他多组分CrFeNi合金，即使经过复杂的热机械处理和其他铸造MPEA。多尺度析出物在阻碍位错运动、促进位错增殖和堆积以及诱导大规模位错网络和堆垛缺陷方面发挥了重要作用，从而显著增强了强度，同时有助于良好的延展性。本研究为设计高性能MPEA提供了一种新策略，使得最终组件能够直接铸造，而无需复杂的加工工艺，这在锻造合金中是必需的。这项研究进一步有助于理解此类异质结构材料中的塑性变形。

文献链接

Materials Today：Exceptional strength-ductility synergy in a casting multi-principal element alloy with a hierarchically heterogeneous structure

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2024.10.009