韓國浦項: 高壓扭轉打造高強高韌復合材料
2021-01-28 來源：Goal Science
在結構金屬領域，開發新的合金同時提高材料的強度和塑性面臨著挑戰。有學者提出了“構筑材料 (Architectured Materials)”的概念，即把兩種或多種材料結合在一起，使得各個材料間展現出協同強化效果，進而提高材料的整體性能。復合材料、層狀材料以及三明治結構均屬于構筑材料的范疇。
對于多金屬復合材料，其制備方法有很多種。熔融制備技術，如鑄造和增材制造，在制備過程中會引入硬質第二相、裂紋、偏析和高的殘余應力，因此只能應用于有限的合金體系。粉末冶金技術也沒有得到廣泛的應用，因為在高溫燒結過程中會造成粉末顆粒的氧化且在界面處引入第二相，造成界面結合力變差。
近日，來自韓國浦項科技大學和韓國工業技術研究院的研究人員借助于大塑性變形-高壓扭轉 (HPT)技術，提出了一種新型的基于粉末冶金原理的方法，克服了現有制備技術存在的問題，成功打造出了高熵合金(CoCrFeMnNi)/鎳基高溫合金(IN718) 層狀多金屬納米晶復合材料體系。該方法實現了基體/增強相界面處優異的物理冶金結合，且復合材料展現出高的屈服強度(~900MPa)和延伸率(40%)，解決了多金屬復合材料中長期存在的問題。該工作以“Architectured multi-metal CoCrFeMnNi-Inconel 718 lamellar composite by high-pressure torsion”為題發表在期刊Scripta Materialia，通訊作者為韓國浦項科技大學Hyoung Seop Kim教授。
本研究中，CoCrFeMnNi和IN718合金粉末的平均顆粒尺寸分別為~35 μm和~120 μm，其中CoCrFeMnNi粉末為單相固溶體，枝晶間存在Mn偏析；IN718粉末為γ-枝晶組織，枝晶間存在Nb偏析和Laves相。混合粉末中IN718的體積分數為~30%，將其壓制成厚度為2mm、直徑為10mm的圓片后進行HPT處理，最后在氬氣條件下對HPT樣品進行后處理，具體工藝流程如圖1所示。
圖1 CoCrFeMnNi-IN718多金屬復合材料制備示意圖。
HPT樣品微觀組織為條狀的IN718合金均勻分布在CoCrFeMnNi合金基體中(圖2)，其中IN718合金的體積分數為~30%，且整體致密度達到了~99%。CoCrFeMnNi/IN718界面處為良好的物理冶金結合，存在合金元素的互擴散。HPT樣品中，CoCrFeMnNi合金區域的晶粒尺寸為~35±8 nm，IN718區域的晶粒尺寸更加細小，為~20±5 nm。HPT過程中的高壓會破壞粉末表面的氧化皮，促進粉末顆粒間的物理冶金結合。
圖2 HPT處理后CoCrFeMnNi-IN718多金屬復合材料的微觀組織表征。(a, b)中的白亮區域為IN718，深色區域為CoCrFeMnNi合金。
如圖3、圖4所示，HPT樣品后處理(700℃/800℃-1h)后，微觀組織為等軸晶結構且界面處為光滑過渡。HPT-700℃樣品的整體晶粒尺寸小于HPT-800℃樣品，且每個樣品中IN718的晶粒尺寸均小于CoCrFeMnNi合金。HPT樣品在700℃/800℃退火后，均沒有新相的生成，但在界面處觀察到了合金元素的擴散。其中，HPT-700℃樣品中的擴散距離為~10μm，HPT-800℃樣品中的擴散距離為~25μm。結果表明，擴散距離和界面處的粗晶區域寬度相似。合金元素的擴散可能和界面處晶粒的粗化有關，元素擴散也證明了界面處的冶金結合。成分表征結果(圖3(c)、圖4(c))表明，HPT-700℃樣品中的CoCrFeMnNi合金區域存在富Cr的σ-相，而HPT-800℃樣品中沒有觀察到此現象。在兩個樣品中，除了Laves相外，還在IN718區域觀察到了板狀的δ-相 (Ni3Nb)，但是沒有其他強化相(γ'和γ'')的存在。分布在晶界和晶內的δ-相可以阻礙晶粒長大，限制位錯移動進而阻礙再結晶過程。
圖3 CoCrFeMnNi-IN718多金屬復合材料在HPT-700℃/1h處理后的微觀組織表征。(a)中的雙箭頭表示靠近界面處的粗晶區域；(e)中的白色箭頭表示σ-相；(f)中的紅色箭頭表示δ-相；(e, f)中的黃色箭頭表示高密度位錯晶粒。
圖4 CoCrFeMnNi-IN718多金屬復合材料在HPT-800℃/1h處理后的微觀組織表征。(a)中的雙箭頭表示靠近界面處的粗晶區域；(c)中的黑色箭頭表示Laves相；(f)中的白色箭頭表示δ-相，黃色箭頭表示高密度位錯晶粒。
KAM分布圖表明，HPT-700℃樣品中IN718和CoCrFeMnNi合金區域均為部分再結晶組織；而HPT-800℃樣品微觀組織為異質結構，CoCrFeMnNi合金區域完全再結晶，IN718區域為部分再結晶。在界面附近的粗晶區域，KAM值較低，表明這些區域最先開始再結晶。
圖5 HPT-700℃樣品(a)和HPT-800℃樣品(b)的KAM分布圖。
拉伸試驗結果表明，隨著退火溫度的提高，強度降低而延伸率得到改善。HPT-800℃樣品展現出優異的綜合力學性能：屈服強度~900MPa，抗拉強度~920MPa，延伸率~40%。需要注意的是，本工作中拉伸試樣的標距長度為1.5mm，寬度1mm，厚度0.7mm。由于HPT-800℃樣品的微觀組織為異質結構，所以在變形過程中存在明顯的背應力，其貢獻了~58%的拉伸應力，如圖6(b)所示。拉伸過程中KAM分布的演化(圖6(c))表明應變主要集中在軟的IN718區域。HPT-700℃樣品的低延伸率主要是由于部分再結晶CoCrFeMnNi基體中硬質富Cr的σ-相的存在。本工作中CoCrFeMnNi-IN718多金屬復合材料的力學性能優于大多數單獨的CoCrFeMnNi合金和其他技術制備的多金屬復合材料。
圖6 CoCrFeMnNi-IN718多金屬復合材料的力學行為和組織演變。
本工作提出的制備多金屬復合材料的方法：(1)可以強烈地細化基體和增強相的晶粒尺寸；(2)可以實現界面處良好的物理冶金結合；(3)可以實現難變形金屬的復合；(4)可以制備具有不同強度、密度和熔點的多金屬復合材料。然而，此方法制備出的材料尺寸較小，在一定程度上限制了其應用范圍。
