常州大学材料学院刘祥奎《JMST》：具有优异室温及低温力学性能的双相异质结构共晶高熵合金！

01全文速览

共晶高熵合金（Eutectic high-entropy alloy，EHEAs）结合了传统共晶合金和高熵合金的潜在优势，具有优异的铸造性能和力学性能，在工程领域中显示出广阔的应用前景。然而，在共晶高熵合金中，强度的提高通常伴随着延展性的损失，限制了其大规模工业化应用。为了进一步强化共晶高熵合金，常州大学刘祥奎等人通过采用冷轧+退火的方法在Ni₄₉Fe₂₈Al₁₇V₆共晶高熵合金中构建非再结晶和再结晶区域组合的双相异质结构，显著提高合金室温及低温力学性能。研究结果表明，室温条件下（298 K），该合金屈服强度为1550 MPa，抗拉强度为1772 MPa，均匀延伸率为16.5%。低温（77 K）条件下，该合金屈服强度提高至1877 MPa，抗拉强度提高至2157 MPa，均匀延伸率保持10%。这种优异的室温力学性能主要归因于异质变形诱导（HDI）强化，而低温下超高的强度不仅源于HDI强化，还源于变形孪晶与高密度位错的强烈相互作用。本研究结果为高性能合金的开发和实现共晶高熵合金在低温极端环境的工程应用提供新的思路。相关研究以题为“Ultra-high strength and ductility of eutectic high-entropy alloy with duplex heterostructure at room and cryogenic temperatures”发表在Journal of Materials Science & Technology上。

第一作者：刘祥奎

通讯作者：刘祥奎，蒋珍飞

通讯单位：常州大学，上海交通大学

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.10.008

02研究背景

随着材料科学的飞速发展，现代工程应用对材料性能的要求不断提高，传统金属由于难以获得强度与塑性良好匹配，限制了其在航空航天、交通运输、能源工业等领域的广泛应用。因此，开发同时具备超高强度和优异塑性的高性能合金成为材料科学领域的一个重要研究方向。高熵合金（high-entropy alloys, HEAs）凭借其独特的组织结构、力学性能而备受关注，是新一代结构工程材料的理想合金体系。其中，共晶高熵合金（EHEAs）凝固区间窄、流动性优异，并以其独特的双相协调变形能力引起众多科研工作者的极大关注，成为结构工程材料领域的研究热点。然而，铸态共晶高熵合金强度的提升通常伴随着塑性的损失。在此背景下，研究人员开始通过设计异质结构及微观组织结构调控来实现合金强度与塑性的协同优化。异质结构是通过引入不同尺度的晶粒区域来调控变形过程中的应力分布和位错行为，从而在不牺牲塑性的前提下大幅提升合金的强度。同时，析出强化、晶界强化等传统强化机制与异质变形诱导强化的协同作用也为开发新一代高新能合金提供了新的思路。

03本文亮点

作者采用冷轧+退火方法在Ni₄₉Fe₂₈Al₁₇V₆共晶高熵合金中构建双相异质片层结构，显著提高了该合金的拉伸力学性能。室温（298K）环境下，该合金屈服强度为1550 MPa，抗拉强度为1772 MPa，均匀延伸率为16.5%；在低温（77 K）环境下，该合金屈服强度提高至1877 MPa，抗拉强度提高至2157 MPa，均匀延伸率保持10%。该合金出色的低温力学性能主要归因于异质变形诱导硬化以及变形孪晶与高密度位错的强烈相互作用，为开发具有卓越低温力学性能的合金提供了新的见解。

04图文解析

图1 铸态和轧制-退火态EHEAs（CR-A750 EHEA）的显微组织。(a) 铸态EHEA的SEM显微组织；(b) 铸态EHEA的HAADF-STEM图像；(c-d) FCC/L1₂和B2对应的SAED图；(e) EBSD IPF图；(f) EBSD相图；(g) EBSD KAM图；(h) 再结晶晶粒、亚结构和变形晶粒的EBSD图；(i) 轧制-退火态EHEA的明场TEM图像；(j) B2片层中L1₂纳米析出相的TEM图像；(k) L1₂纳米析出相的TEM-EDS图谱；(l) L1₂纳米析出相的HRTEM图像和相应的SAED图；（m, n, o）明场TEM图像；(p-q) L1₂和B2相对应的超晶格衍射图像

图2 CR-A750 EHEAs在室温和低温下的力学性能。 (a) 拉伸工程应力-应变曲线；(b) 应变硬化率曲线，插图为真应力-应变曲线；(c) 室温屈服强度与均匀延伸率性能对比图；(d) 低温屈服强度与均匀延伸率性能对比图

图3 CR-A750 EHEA室温变形组织

图4 CR-A750 EHEA低温变形组织

05结论展望

综上，作者通过优化热机械加工工艺，采用冷轧（轧制变形量87%）和退火工艺（750℃，2小时）在Ni₄₉Fe₂₈Al₁₇V₆共晶高熵合金中构建了一种双相异质片层结构，使得该合金在室温和低温环境下均表现出优异的力学性能。优异的室温力学性能主要是由于软硬两相中异质结构引起的HDI强化，而超高低温强度不仅源于异质结构引起的HDI强化，还源于变形孪晶和高密度位错的强烈相互作用。相关研究结果为开发面向工业应用的高性能合金及实现共晶高熵合金在极端环境中的大规模应用提供了新的思路。

06引用本文

Xiangkui Liu, Jingying Liu, Chenglong Zhou, Weixia Dong, Xuecong Zhang, Qianye Wang, Huiqing Xu, Xulong An, Dandan Wang, Wei Wei, Zhenfei Jiang, Ultra-high strength and ductility of eutectic high-entropy alloy with duplex heterostructure at room and cryogenic temperatures, J. Mater. Sci. Technol. (2024).

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.10.008