如何實現高熵合金的增強增塑？
2021-07-04 來源：GS_Metals
CoCrFeMnNi合金是最為經典的高熵合金，具有穩定的面心立方（FCC）晶體結構，在低溫下展現出優異的強度-塑性組合，同時伴隨著變形機制由位錯滑移向變形孿晶轉變。CoCrFeMnNi合金的一個“致命缺點”在于其低的屈服強度。劇烈塑性變形（SPD）是提高高熵合金屈服強度的有效手段，然而大多數SPD處理后的高熵合金展現出很低的塑性，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處理后的合金進行退火處理，以提高材料的塑性，但是會引起強度的降低。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技術相比，等通道轉角擠壓（ECAP）通過簡單的剪切可以在塊體材料中實現均勻變形，且變形過程不會改變橫截面的面積，從而可以進行多次處理以達到所需的變形程度。ECAP雖然被用來對很多FCC合金的微觀組織進行細化，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一步地研究，同時存在以下兩個問題：（1）在不進行后處理的情況下是否可以同時實現強化和韌化？（2）除了晶粒細化外，在SPD處理過程中，CoCrFeMnNi高熵合金中是否會發生其他強化機制？比如TRIP或TWIP。
近日，德州農工大學的I. Karaman（通訊作者）及其研究團隊對CoCrFeMnNi高熵合金進行中溫和高溫的ECAP處理，研究了變形過程中TRIP和TWIP的激活機制，以及晶粒細化、位錯結構和TRIP/TWIP現象的復雜交互作用，并闡明了其對力學性能的影響。相關成果以“Simultaneous deformation twinning and martensitic transformation in CoCrFeMnNi high entropy alloy at high temperatures”為題發表在期刊Scripta Materialia。
真空感應熔煉的CoCrFeMnNi高熵合金在900℃進行熱擠壓（HE），隨后進行ECAP處理，參數如表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晶組織，而ECAP樣品展現出非均勻的晶粒尺寸分布。HE和ECAP樣品均為FCC晶體結構，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。雖然經過兩道次ECAP處理，總缺陷密度不會顯著增加，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域，形成了復合微觀組織。第一個區域為細長晶粒，而第二個區域為再結晶的超細晶粒。非均質微觀組織在塑性變形過程中產生了復合效應，即大晶粒提供塑性變形而小晶粒產生強化。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過后續退火才能實現。而本工作中ECAP樣品在中溫和高溫經過兩道次處理后就可以得到理想的非均質微觀組織，不需要進行后續的熱處理。
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，組織中存在很多細長的超細晶，一些細長晶粒的寬度低于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。根據之前的報道，即使在高層錯能（SFE）材料中，超細晶和納米晶也可以通過抑制位錯塑性促進孿晶的形核。高溫下孿晶和ε-馬氏體的激活與施加應力對不全位錯間距的影響相關。施加應力會改變Shockley不全位錯之間的平衡間距距離，造成有效的SFE，進而決定了晶粒的變形機制。ECAP過程中施加的高應力使得具有擇優取向的晶粒更容易發生不全位錯的分離，降低了有效的SFE，從而導致了孿晶和ε-馬氏體的同時形成。孿晶和ε-馬氏體的形成會細化晶粒，提高材料的強度。ECAP過程中形成的高密度缺陷可以強化材料，同時位錯胞結構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樣品的力學行為如圖4所示，力學性能數據如表2所示。ECAP過程中形成的非均質組織以及孿晶和ε-馬氏體的形成是ECAP樣品綜合力學性能提高的主要原因。B1-ECAP和B2-ECAP樣品展現出拉/壓不對稱性，主要歸因于ECAP樣品中的強織構和內部應力。此外，ECAP處理過程中晶界處背應力的累積也會導致拉/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行ECAP處理，造成了晶粒細化、位錯密度增加以及非均質晶粒的形成，同時導致了變形孿晶和ε-馬氏體的出現。高溫下TRIP/TWIP效應的同時出現是由于低的SFE和高應力對不全位錯間距的影響。此種復合微觀組織提高了材料在室溫下的綜合力學性能，此方法可適用于其他中/高熵合金，以調控微觀組織，進一步提高其力學性能。
