Scripta Mater.：纳米析出相强化的新型面心立方高熵合金

【引言】

高熵合金是一类至少包含四种主要主要组成元素的材料。自2004年由Yeh和Cantor等人提出以来，高熵合金凭借优异的力学性能、抗辐射损伤能力和耐磨、抗疲劳和腐蚀能力，以及热处理过程中的显微结构稳定性，至今依旧受到研究者们极大的关注。通常来讲，高熵合金具有简单面心立方、体心立方或密排六方固溶体结构。2015年至今，对高熵合金的力学性能、相预测、疲劳行为和合金设计等研究工作为高熵合金的发展和应用做出了突出的贡献，然而，对高熵合金相形成行为的研究还很有限。

【成果简介】

近日，哈尔滨工业大学的陈瑞润教授课题组在Scripta Materialia上发表了题为“A novel face-centered-cubic high-entropy alloy strengthened by nanoscale precipitates”的文章。作者引入了一种新型Co₉Cr₇Cu₃₆Mn₂₅Ni₂₃（原子百分比）高熵合金，研究并呈现了该材料的力学性能、相组成显微结构和化学分布。为描述此类高熵合金晶体形成和纳米尺度析出相形成过程中的行为，作者提出了一种原子运动模型。所得研究结果对发展高性能高熵合金将会有所助益。

【图文导读】

图1：Co₉Cr₇Cu₃₆Mn₂₅Ni₂₃高熵合金的力学性能和晶体结构。

(a) XRD 谱；

(b) 拉伸工程应力应变曲线；

(c) Co₉Cr₇Cu₃₆Mn₂₅Ni₂₃高熵合金及其他高熵合金体系的拉伸屈服强度和延伸率；

(d) Co₉Cr₇Cu₃₆Mn₂₅Ni₂₃高熵合金及其他高熵合金体系的极限拉伸强度和延伸率。

图2：X射线能谱仪得到Co₉Cr₇Cu₃₆Mn₂₅Ni₂₃高熵合金的显微结构和元素分布图。

(a) Co₉Cr₇Cu₃₆Mn₂₅Ni₂₃高熵合金的显微结构；

(b-f) Co₉Cr₇Cu₃₆Mn₂₅Ni₂₃高熵合金中Co，Cr，Cu，Mn和Ni的元素分布图。

图3：Co₉Cr₇Cu₃₆Mn₂₅Ni₂₃高熵合金的TEM图像。

(a) 低倍明场TEM图像；

(b) (a)图的电子衍射斑点；

(c) 高倍明场TEM图像；

(d) (c)图的电子衍射斑点；

(e-j) 高角环形暗场图（HAADF）和相应的Co，Cr，Cu，Mn和Ni的STEM-EDS元素分布图。

图4：原子运动模型。

(a) Co₉Cr₇Cu₃₆Mn₂₅Ni₂₃高熵合金晶体形成行为的原子运动模型；

(b) 纳米析出相的形成行为。

【小结】

作者首次研究了Co₉Cr₇Cu₃₆Mn₂₅Ni₂₃高熵合金体系，观察到这类材料可以将拉伸屈服强度和延展性很好地结合起来。在这类新型高熵合金中，作者发现大量尺寸在3-8nm大的析出相富集在Co、Cr中，而在Cu中含量极少。作者进一步推断，约419MPa的附加强度是由纳米颗粒和基体直降的晶格错配和剪切模量错配引起的。总拉伸强度为700MPa，说明也可以通过固溶强化和晶界强化机制实现合金的强化。

基于X射线能谱仪分析和高熵合金的晶体形成行为的研究，作者发现高熔点元素偏向于作为初晶相析出，而低熔点元素则随着温度降低析出并附着于初晶相上。此外，随着温度降低，一部分Co和Cr从过饱和固溶体中析出并形成析出相。析出相生长到几纳米大小，，收到缓慢扩散效应的阻碍无法进一步长大，从而形成了纳米析出相。

文献链接：A novel face-centered-cubic high-entropy alloy strengthened by nanoscale precipitates（Scripta Mater.,2019,DOI: 10.1016/j.scriptamat.2019.07.008）