豐鏈智造探討高強塑性超細晶共晶高熵合金的研究
眾所周知，實現金屬材料的超高強塑性，高強度和高延展性，對金屬材料的服役安全性、長壽命、節能減排等具有重要意義，而如何同時提高金屬材料的強塑性，一直是結構材料領域的重大科學問題。
共晶高熵合金是近年來新開發的一種合金體系，共晶合金具有良好的流動性和鑄造性能，其豐富的成分和結構變化帶來了更廣泛的制備原位復合新材料的可能性，為金屬材料的微觀結構設計和最終性能調控提供了巨大的潛力。
上海大學材料學院研究團隊基于鑄態的AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金，使用簡單可工業化的熔煉-軋制-熱處理工藝，首次制備出一種遺傳鑄態共晶層片的超細晶結構--雙相異質層片結構，率先實現了共晶高熵合金此前無法同時獲得的超優強塑性(屈服強度可達到~1.5 Gpa，同時塑性保持在~16%)。基于相分解效應，所制備的試樣展現出一種全新的多級結構異質性。
分析表明：力學性能的改善可主要歸于結構上的兩級約束變形效應以及自生微裂紋捕捉機制。首次提出的雙相異質層片結構強化機制，為高性能結構材料如高熵合金、軸承鋼、工模具鋼、高溫合金、鋁合金、銅合金、鈦合金等的強度和塑性提升提供了全新思路。
生產具有優異強度和延展性的原位復合材料一直是一個挑戰。 在這里利用從鑄造，軋制和退火中繼承的層狀顯微組織，生產出具有優異性能的高強塑性超細晶共晶高熵合金。
為了減少生產過程中的能耗和提高安全保障，具有超優強塑性結合的材料對于大多數工程應用都是至關重要的。不幸的是，這兩種性能通常是相互排斥的，尤其是在金屬材料中。共晶合金具有良好的液態流動性，可以防止常見的鑄造缺陷（如內部縮松、成分偏析）損害力學性能。
此外，共晶合金規則排列的層片組織，能夠視為一種原位的復合材料，從而為誘導協同強化去改善力學性能提供了基礎。
基于傳統共晶合金，共晶高熵合金（EHEA）的理念被提出，其結合了高熵合金和傳統共晶合金的優點，表現出良好的雙相層片組織和罕見的鑄造缺陷。但目前為止，具有優異拉伸性能的EHEA體系只有少數幾個，且性能存在大量潛在的提升空間。然而，許多報道的強化共晶合金方法，如引出線缺陷，通常會導致塑性的降低。以往的研究也表明，采用冷軋和退火工藝制備超細晶的雙相組織可以顯著強化共晶高熵合金，只是會輕微降低拉伸塑性。
近年來，異質結構材料概念的發展為提高金屬材料的力學性能提供了新的視角，該結構通常表現出微觀上不同區域具有較大的強度差別。如在純鈦中構建了一種異質的雙峰態晶粒結構，由軟的、粗晶層片嵌入在一個硬的、超細晶基體層中構成的，合金展現出優異的強塑性結合。這是由于在變形過程中，在高密度的異質界面上形成了較大的應變梯度，同時，硬層片會施加充分的變形約束，使軟層片幾乎與硬基體層一樣強，從而使材料具有高屈服強度。因此，如果能夠通過適當的熱機械處理來遺傳共晶的異質層狀結構，而不是簡單的僅定制出一種雙相超細晶結構，就有望獲得顯著的強度與塑性同時增強。基于此，上海大學材料學院研究團隊關于遺傳微層片制備高強塑性超細晶共晶高熵合金的研究成果得以研究發表。
通過可控的機械熱處理工藝，在AlCoCrFeNi2.1 EHEA中構建了一種雙相異質層片（DPHL）結構。與一般的異質結構相比，該結構是由軟/硬相，而非粗/細晶粒主導的強度異質。同時，由于EHEA的全層片特性，合金呈現出更高的異質層片密度。此外，由于獨特的相分解現象，在軟的面心立方（FCC）基體層中存在大量硬的晶間有序體心立方（B2）析出物，對FCC施加了額外的剛性變形約束。更令人驚訝的是，由于這種DPHL結構的引入，所制備的EHEA在變形后期可以激活微裂紋捕捉機制（外在塑韌化效應），進一步擴展了應變硬化能力（內在塑韌化效應），從而獲得了較大的整體拉伸塑性。
多級的雙相異質層片（DPHL）高熵合金試樣與傳統的金屬材料以及先前報道的高性能高熵合金性能對比。（a，b）室溫下拉伸性能匯總。包括鑄態EHEA、超細晶EHEA、多級復雜的EHEA、雙相高熵合金、亞穩高熵合金、析出強化高熵合金以及碳摻雜強化的高熵合金，他們通常顯示出優異的拉伸強度與塑性的結合。由于一些高熵合金的屈服強度較低（< 400 MPa）和較差的室溫塑性，這里并未進行對比。
綜上所述，在這項工作中，通過引入兩級約束效應和自生的微裂紋捕捉機制這兩種并行的效應，成功地在AlCoCrFeNi2.1 EHEA中實現了較好的強度與塑形的組合。所觀察到的優異力學性能背后的根源是超細晶結構中遺傳了鑄態EHEA的異質層片屬性。得益于該結構的引入，超細晶雙相組織獲得了更好的強度與塑性的結合。而且，將相分解行為應用于優化性能，而不僅僅是單相高熵合金中常見的相不穩定現象，這可能會促進該領域的進一步研究。
此外，AlCoCrFeNi2.1 EHEA可以經過簡單地加工處理以獲得比傳統TRIP和TWIP鋼更好的力學性能，對工業應用極具吸引力。這項研究結果為強化共晶合金和制備高性能高熵合金提供了一條有前景的途徑。
豐鏈智造技術團隊感謝行業各級材料學院，對于合金新材的不斷探討研究，使國內各行業產品應用，能夠得到更為精進的借鑒。
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