《Scripta》：不規則形狀析出相和鋸齒晶界，讓高熵合金性能更優！

現代民用和工業應用(如飛機燃氣渦輪發動機的葉片，直升機、火箭燃氣輪機)對耐熱金屬材料的需求強烈，高強度、良好的均勻伸長率和800℃以上高溫環境耐受性是研究人員的主要目標。長期以來，鎳基高溫合金一直是這些應用的最佳選擇，現在正在努力提高耐熱能力和蠕變強度，以提高推重比和燃油效率，然而這種進一步的改進現在幾乎達到了瓶頸。最近，高熵合金(HEAs)已成為一類新的結構材料，開發的HEA通常由五種或更多主要元素組成。這種多元素概念提供了一個很大的空間來設計HEAs中的成分-結構-性質-機制相關性以實現所需的機械和化學性能，如高強度、高延展性、高韌性、高比強度等。目前對這些合金的機械性能和變形機制的研究大多集中在不超過800℃的溫度下，很少研究溫度在800℃以上時的性能及變形行為。

香港城市大學等單位的研究人員設計了一種新型的析出強化HEA?，服役溫度有望達到1000℃及以上。在MNiHEA中引入了鋸齒狀晶界以消除應變軟化和快速晶間開裂問題。系統地研究了微觀結構、拉伸性能以及相關的變形和斷裂機制。相關論文以題為“Multicomponent Ni-rich high-entropy alloy toughened with irregular-shaped precipitates and serrated grain boundaries”發表在Scripta Materialia。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114066

本文設計成分為Ni_46.23Co₂₃Cr₁₀Fe₅Al_8.5Ti₄W₂Mo₁C_0.15B_0.1Zr_0.02，設計原則如下：(1)添加Al和Ti以促進高密度L1₂析出相的形成，提高強度，采用較大含量的Al生成A1₂O₃膜以增強抗氧化性；(2)加入10%的Cr以形成Cr₂O₃薄膜，進一步改善抗腐蝕性和高溫下的抗氧化性；(3)W和Mo合金化用于基體的固溶強化和促進析出相形核析出；(4)少量C、B和Zr用于晶界強化；(5)相應地調整Ni，Co和Fe的含量以穩定FCC (面心立方)基體。通過熱處理工藝在MNiHEA中引入了鋸齒狀晶界(SEGB)，以消除應變軟化和快速晶間開裂問題。

圖2 SEG-MNiHEA試樣中不規則析出相的元素分布

圖3 STG-MNiHEA和SEG-MNiHEA在室溫(RT)和1000℃下的拉伸性能

圖4 STG-MNiHEA試樣在1000℃下拉伸后的斷裂截面圖和EBSD圖

本文開發了一種新型HEA合金。SEG-MNiHEA克服了應變軟化和快速晶間開裂的問題，表現出不尋常的連續應變硬化和脆韌轉變，高溫下抗拉強度提高至約260 MPa，均勻伸長率約為6.5%，本文結果證明了通過SEGB增韌析出強化HEA的強大實用性和有效性。此處采用的緩冷方法引入SEGB和不規則形狀的析出相，簡單易控，易于工業化生產，因此可用于生產多種SEGB結構的HEA和常規高溫合金。本文的發現為未來設計用于高溫結構應用的高性能析出強化HEA和高溫合金提供了新的方法。

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