超強中熵合金！Nature子刊：2.2GPa+13%均勻延伸率
2020-05-14 來源：Goal Science
高熵合金由于具有優異的高/低溫力學性能、熱穩定性、耐腐蝕性等，成為國內外材料學者的研究熱點?；诟哽睾辖鸬母拍睿徐睾辖鹨矐\而生，其定義為結構熵在0.69R~1.5R（R為氣體常數）之間[1]。研究表明[2]，中熵合金CoCrNi具有更低的層錯能以及更持久的納米孿晶強化，室溫和低溫力學性能均優于具有相同FCC結構的高熵合金CrMnFeCoNi。然而，傳統CoCrNi中熵合金室溫下的屈服強度和抗拉強度較低，如何獲得超高強度（UHS>2.0 GPa）和良好均勻延伸率（>8%）組合是中熵合金面臨的巨大挑戰，也是其能否應用于特殊結構領域（飛機起落架等）的瓶頸。
近日，香港城市大學、沈陽航空航天大學等多家機構聯合在期刊Nat. Commun.上發文，題為“Dual heterogeneous structures lead to ultrahigh strength and uniform ductility in a Co-Cr-Ni medium-entropy alloy”。研究人員在傳統等原子比CrCoNi合金的基礎上，重新進行了成分設計，增Co降Ni降低層錯能，從而提高FCC相的穩定性。同時，添加Al和Ti元素，用于形成完全共格的L12析出相，最終的合金成分為34.46Co-32.12Cr-27.42Ni-3Al-3Ti（原子比）。研究人員先將合金進行深冷軋制（cryo-rolling, CR）,再900℃/1h高溫退火（CRA），最后在700°C/4 h時效析出（CRAA）。由于變形不均勻性以及部分再結晶，CRA樣品中FCC相的晶粒出現雙峰分布（10-30 μm v.s. 0.5-2 μm）,且L12析出尺寸的分布也呈現雙峰趨勢（~100nm v.s. 20-50nm）。低溫時效處理后，CRAA樣品晶粒內部出現了高密度的細小析出（3~5nm）,其與基體的晶格錯配度僅為0.011%。基體FCC相和大量共格析出的雙相異質結構使得材料的屈服/抗拉強度達到了~2.0GPa /2.2GPa，均勻延伸率依然表現不俗（13%）。
圖1 合金的力學性能曲線及性能對比（異質結構的貢獻為~800MPa；析出強化的貢獻為~1115MPa）
圖2 CR，CRA，CRAA樣品的微觀結構（a-c，g-l標尺分別為10 μm, 20 μm, 20 μm, 200 nm, 500 nm, 200 nm, 20 nm, 500 nm, 20 nm）。CRAA樣品中有大量的退火孿晶和層錯以及超高密度的細小析出。
圖3 CRAA樣品的高角環形暗場STEM和3D-APT表征
圖4 CRAA樣品斷裂后的組織表征。變形過程中沒有出現FCC相的轉變和變形孿晶的產生，可能原因是高密度的析出導致納米孿晶和HCP相形成的臨界應力大幅度提高。
本研究充分利用異質結構和共格析出對強度和塑性的雙重貢獻，打造出了“超強中熵合金”！近期，清華大學材料學院陳浩團隊在低成本中錳鋼體系中，通過成分和工藝的優化也獲得了和本研究同級別的性能（清華大學最新研究：金屬強化新突破——揭秘CBE強化機理）。筆者認為，無論何種合金體系，獨特的科研思路以及可實施的實驗方案才是科研成果源源不斷的保證。對此，你有什么看法呢？
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參考文獻：
[1] Li, Rui Xuan, and Yong Zhang. "Entropic Alloys for Cryogenic Applications." Stainless Steels and Alloys. IntechOpen, 2018.
[2] Laplanche, G., et al. "Reasons for the superior mechanical properties of medium-entropy CrCoNi compared to high-entropy CrMnFeCoNi." Acta Materialia 128 (2017): 292-303.
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