如何實現(xiàn)高熵合金的增強(qiáng)增塑？
2021-07-04 來源：GS_Metals
CoCrFeMnNi合金是最為經(jīng)典的高熵合金，具有穩(wěn)定的面心立方（FCC）晶體結(jié)構(gòu)，在低溫下展現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)度-塑性組合，同時伴隨著變形機(jī)制由位錯滑移向變形孿晶轉(zhuǎn)變。CoCrFeMnNi合金的一個“致命缺點”在于其低的屈服強(qiáng)度。劇烈塑性變形（SPD）是提高高熵合金屈服強(qiáng)度的有效手段，然而大多數(shù)SPD處理后的高熵合金展現(xiàn)出很低的塑性，主要原因在于加工硬化能力的顯著降低和SPD處理后缺陷密度的飽和。為了提高塑性變形能力，通常對SPD處理后的合金進(jìn)行退火處理，以提高材料的塑性，但是會引起強(qiáng)度的降低。而且，在較高溫度下退火會形成不利的析出相或者造成相的分解。
和其他SPD技術(shù)相比，等通道轉(zhuǎn)角擠壓（ECAP）通過簡單的剪切可以在塊體材料中實現(xiàn)均勻變形，且變形過程不會改變橫截面的面積，從而可以進(jìn)行多次處理以達(dá)到所需的變形程度。ECAP雖然被用來對很多FCC合金的微觀組織進(jìn)行細(xì)化，但是在高熵合金中的研究相對較少。因此，SPD過程中高熵合金的組織演化還需要進(jìn)一步地研究，同時存在以下兩個問題：（1）在不進(jìn)行后處理的情況下是否可以同時實現(xiàn)強(qiáng)化和韌化？（2）除了晶粒細(xì)化外，在SPD處理過程中，CoCrFeMnNi高熵合金中是否會發(fā)生其他強(qiáng)化機(jī)制？比如TRIP或TWIP。
近日，德州農(nóng)工大學(xué)的I. Karaman（通訊作者）及其研究團(tuán)隊對CoCrFeMnNi高熵合金進(jìn)行中溫和高溫的ECAP處理，研究了變形過程中TRIP和TWIP的激活機(jī)制，以及晶粒細(xì)化、位錯結(jié)構(gòu)和TRIP/TWIP現(xiàn)象的復(fù)雜交互作用，并闡明了其對力學(xué)性能的影響。相關(guān)成果以“Simultaneous deformation twinning and martensitic transformation in CoCrFeMnNi high entropy alloy at high temperatures”為題發(fā)表在期刊Scripta Materialia。
真空感應(yīng)熔煉的CoCrFeMnNi高熵合金在900℃進(jìn)行熱擠壓（HE），隨后進(jìn)行ECAP處理，參數(shù)如表1所示。表1給出了ECAP模具通道的示意圖。ECAP處理后，沿著擠壓方向制備拉伸和壓縮試樣，拉伸試樣的標(biāo)距尺寸為8mm×3mm×1.2mm，壓縮試樣的尺寸為4mm×4mm×8mm。
圖1 ECAP模具通道示意圖
圖2為熱擠壓（HE）樣品和ECAP樣品的EBSD表征。HE樣品的微觀組織為等軸狀的細(xì)晶組織，而ECAP樣品展現(xiàn)出非均勻的晶粒尺寸分布。HE和ECAP樣品均為FCC晶體結(jié)構(gòu)，HE樣品的晶粒尺寸為8.86±5μm，B1-ECAP樣品的晶粒尺寸為1.18±1μm，B2-ECAP樣品的晶粒尺寸為0.46±0.4μm。雖然經(jīng)過兩道次ECAP處理，總?cè)毕菝芏炔粫@著增加，但是道次的增加會影響晶界特征分布和微觀組織的均勻性。圖2（d）表明B2-ECAP樣品中存在兩個不同的區(qū)域，形成了復(fù)合微觀組織。第一個區(qū)域為細(xì)長晶粒，而第二個區(qū)域為再結(jié)晶的超細(xì)晶粒。非均質(zhì)微觀組織在塑性變形過程中產(chǎn)生了復(fù)合效應(yīng)，即大晶粒提供塑性變形而小晶粒產(chǎn)生強(qiáng)化。對于其他劇烈塑性變形處理的樣品，非均勻的晶粒尺寸分布通常需要經(jīng)過后續(xù)退火才能實現(xiàn)。而本工作中ECAP樣品在中溫和高溫經(jīng)過兩道次處理后就可以得到理想的非均質(zhì)微觀組織，不需要進(jìn)行后續(xù)的熱處理。
圖2 不同樣品的EBSD表征（IPF+IQ圖，相分布圖，晶粒尺寸分布圖）（a）900℃熱擠壓樣品；（b）ECAP樣品@900/900℃（B1）；（c）ECAP樣品@900/300℃（B2）；（d）ECAP樣品@900/300℃（B2），其中晶界定義為取向差高于10°
圖3為B2-ECAP樣品的TEM表征，組織中存在很多細(xì)長的超細(xì)晶，一些細(xì)長晶粒的寬度低于100nm。令人驚訝的是，組織中觀察到了變形孿晶和ε-馬氏體，說明在高溫變形過程中同時形成了孿晶和ε-馬氏體。根據(jù)之前的報道，即使在高層錯能（SFE）材料中，超細(xì)晶和納米晶也可以通過抑制位錯塑性促進(jìn)孿晶的形核。高溫下孿晶和ε-馬氏體的激活與施加應(yīng)力對不全位錯間距的影響相關(guān)。施加應(yīng)力會改變Shockley不全位錯之間的平衡間距距離，造成有效的SFE，進(jìn)而決定了晶粒的變形機(jī)制。ECAP過程中施加的高應(yīng)力使得具有擇優(yōu)取向的晶粒更容易發(fā)生不全位錯的分離，降低了有效的SFE，從而導(dǎo)致了孿晶和ε-馬氏體的同時形成。孿晶和ε-馬氏體的形成會細(xì)化晶粒，提高材料的強(qiáng)度。ECAP過程中形成的高密度缺陷可以強(qiáng)化材料，同時位錯胞結(jié)構(gòu)的形成會增加位錯平均自由程，有利于提高塑性變形能力。
圖3 B2-ECAP樣品的TEM表征
室溫下HE樣品和ECAP樣品的力學(xué)行為如圖4所示，力學(xué)性能數(shù)據(jù)如表2所示。ECAP過程中形成的非均質(zhì)組織以及孿晶和ε-馬氏體的形成是ECAP樣品綜合力學(xué)性能提高的主要原因。B1-ECAP和B2-ECAP樣品展現(xiàn)出拉/壓不對稱性，主要歸因于ECAP樣品中的強(qiáng)織構(gòu)和內(nèi)部應(yīng)力。此外，ECAP處理過程中晶界處背應(yīng)力的累積也會導(dǎo)致拉/壓不對稱性。
圖4 HE樣品、B1-ECAP樣品和B2-ECAP樣品的（a）拉伸和（b）壓縮曲線；（c）ECAP處理后樣品的微觀組織示意圖
本研究對CoCrFeMnNi高熵合金在中溫和高溫下進(jìn)行ECAP處理，造成了晶粒細(xì)化、位錯密度增加以及非均質(zhì)晶粒的形成，同時導(dǎo)致了變形孿晶和ε-馬氏體的出現(xiàn)。高溫下TRIP/TWIP效應(yīng)的同時出現(xiàn)是由于低的SFE和高應(yīng)力對不全位錯間距的影響。此種復(fù)合微觀組織提高了材料在室溫下的綜合力學(xué)性能，此方法可適用于其他中/高熵合金，以調(diào)控微觀組織，進(jìn)一步提高其力學(xué)性能。
