超细析出相层错、位错锁和孪晶协同作用提高中熵合金的强度和塑性

导读：本文引入多种强化/变形机制到富镍 Ni 40 Co 32 Cr 20 Al 3.5 Ti 3 Nb 1.5(at%) 中等熵合金。经过热机械程序后，微观结构的特点是超细 γ' 颗粒 (2-18 nm) 和短堆垛层错。该合金具有优良的力学性能，具有千兆屈服强度、优良的延展性和很强的加工硬化能力。初始高强度是由超细γ'粒子、位错锁（Lomer-Cottrell locks）、溶质原子和晶界对位错运动的阻挡作用引起的。

对于结构材料，尤其是合金，始终需要高强度和优异延展性的结合。由于它们之间的矛盾，很难同时实现高强度和高延展性。作为一种新型合金体系，高熵合金（HEAs）和中熵合金（MEAs），特别是面心立方（FCC）结构的合金，显示出克服这一矛盾的潜力。基于 CoCrNi 的 MEA 因其出色的机械性能而经常被报道. 各种方法用于获得 CoCrNi MEA 的强度和延展性的良好平衡，包括沉淀强化、异质晶粒结构、部分再结晶结构、晶体缺陷和相变。

实际上，仅靠一种机制很难实现高强度和高延展性。例如，沉淀强化是一种简单有效的提高强度的方法，可以通过添加Al、Ti和耐火材料引入γ'-Ni 3 (Al, Ti)相和拓扑密排(TCP)相作为强化介质。HEA 和 MEA 中的元素（Mo、W、Nb 等）。析出物可以提高强度但降低延展性。部分再结晶组织由再结晶晶粒和未再结晶晶粒组成，前者提供延展性，后者提供强度。我们最近的研究表明，再结晶晶粒和未再结晶晶粒的体积分数对拉伸性能的影响最大。控制两个零件的体积分数必然会导致强度和延展性的相反变化。因此，应采用包括强化机制和变形机制在内的多种机制来提高强度和延展性。如何使多重强化/变形机制有效地发挥作用是一个有意义的研究课题。

在这项工作中，沈阳航空航天大学和哈尔滨工业大学基于以下考虑设计了一种富镍 MEA (Ni 40 Co 32 Cr 20 Al 3.5 Ti 3 Nb 1.5 , at%)：(1) 添加 Al、Ti、Nb 以引入析出物 (γ' -Ni 3 (Al、Ti) 和/或 γ''-Ni 3 Nb)。(2) 增加作为γ'和γ''的主要形成元素的Ni的含量，以获得高体积分数的析出物。(3) 希望高 Co 含量可以降低堆垛层错能 (SFE) [19]. 它将促进SFs和双胞胎的形成。(4) 由于与镍基高温合金相似的合金成分，考虑了高温应用的可能性。具有高密度位错的部分再结晶结构是不希望的。MEA具有千兆屈服强度、突出的伸长率和很强的加工硬化能力。我们希望研究结果可以为设计具有更好性能的 HEA 和 MEA 提供一些有用的信息。相关研究成果以题“Enhancing the strength-ductility trade-off in a NiCoCr-based medium-entropy alloy with the synergetic effect of ultra fine precipitates, stacking faults, dislocation locks and twins

”发表在国际著名期刊Scropta materialia.

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646221007764#fig0005

图 1。(a) 完全再结晶结构的 SEM 显微照片；(b) 晶界析出物；(c) 晶界析出物的化学成分分析结果。

图 2。(a), (c) MEA 沿区域轴z = [0-11] 和 [001] 的 BF 图像；(b)、(d) 相应的 SAED；(e) MEA的HR-TEM图像；(f)和(g)分别是(e)中标记区域的IFFT图像和SAED；(h), (i) SFs 和 LC 锁定在 MEA (HR-TEM)。

图 3。(a) MEA在不同温度下的应力-应变曲线；(b) MEA 在室温下的加工硬化曲线

图 4。不同应变下的变形微观结构，(a)-(c) ∼10%，(a) γ'与位错的相互作用；(b) 长 SF 带和新的 LC 锁；(c) LC 锁由短 SF 组成；（d）和（e）~20%，（d）变形微观结构的BF图像；(e) (d)中粉色区域的HR-TEM图像；(e1)和(e2)是(e)中R1和R2区域的IFFT图像；(f)–(h) 变形过程中的微观结构演变示意图，(f) 初始阶段；(g) 中间阶段；(h) 后期。

本文设计并制备了一种具有 FCC 结构的富镍 NiCoCr 基 MEA。冷轧后退火处理过程中形成的超细γ'相、富晶界(Ti,Nb)析出物和SFs。该合金具有千兆帕YS（1.06 GPa）、高延展性（EL=24.6%）和强加工硬化能力。高YS主要是由于γ′粒子的析出强化、固溶强化、晶界强化和LC锁相。加工硬化能力的提高得益于变形过程中新SFs、LC锁和变形孪晶的形成。合金的主要变形机制是位错滑移和孪晶。优异的力学性能主要归功于超细γ'粒子、SFs、LC锁和变形孪晶的协同作用。