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重磅!四校联发《Acta Materialia》:超强韧高熵合金在大温度范围的多功能应用!

来源:材料科学与工程|

发表时间:2022-12-02

点击:6104

人类对于太空的探索永无止境。就太阳系而言,行星的表面温度有的高达750 K(金星),而有的低至70 K(海王星)。因此,太空探索需要可用于大温度范围的航天结构材料。高熵合金的出现,为发展应用于极端条件下的关键结构材料提供了非常大的潜在可能。然而,之前绝大多数高熵合金的性能优化往往限制在特定的低温或者高温条件。


日前,来自加州大学尔湾分校、加州大学伯克利分校、牛津大学和加州大学圣地亚哥分校的研究人员,通过设计异质结构和引入纳米析出相,开发了一种在77 K到1073 K具有优异力学性能的非等原子FeNiCoAlTaB高熵合金。该合金在大温度范围内展现了不错的韧性,并在77 K, 298 K, 873 K 和1073 K条件下,分别具有超高的工程拉伸强度2.2 GPa, 1.4 GPa, 800 MPa和500 MPa。上述优异的力学性能得益于在不同温度下多种强化与变形机制的激发。在77 K时,该多晶合金还展现了超高强度的伪弹性。通过调节异质结构和亚稳定性,该工作为设计与制备可应用于宽温度领域的高熵合金提供了切实可行的方案。


相关论文以题为“Strong and Ductile FeNiCoAl-based High-Entropy Alloys for Cryogenic to Elevated Temperature Multifunctional Applications”发表在金属顶刊《Acta Materialia》。本文共同第一作者为章程、于秦和汤元博博士,由Kenneth S. Vecchio, Robert O. Ritchie和Enrique J. Lavernia教授联合通讯。


图1 异质结构的FeNiCoAlTaB高熵合金以及时效后产生的纳米析出物。由于冷轧后产生了大角度和小角度晶界,NiAl析出相倾向于在大角度晶界聚集,而小角度晶界则没有NiAl相析出,这就造成了晶粒生长速率的差异。大角度晶界的晶粒由于NiAl相的钉扎效应,形成了细晶。而小角度晶界的晶粒则是正常生长,甚至会异常长大。这就形成了异质层状结构。另外,由于高热稳定性NiAl的存在,该异质结构可以一直保持到1400 K。接下来通过时效处理,产生了与基底共格的γ’纳米析出相,体积分数接近30%。


图2 FeNiCoAlTaB高熵合金在大温度范围下的优异力学性能。特别是在77 K时,其应变硬化速率超过了15 GPa,是普通金属材料的近20倍。另外,在高温区间,也就是在873 K和1073 K时,该合金在展现高强度的同时,还能保持非常好的韧性。


图3 多晶样品在77 K条件下发生的超高强度超弹性,可作为低温高阻尼材料和驱动器。在“加载-卸载-再加载”的循环拉伸实验中,该合金的应变回复率一直在70%以上,远大于由普通包辛格效应引发的应变回复率。


图4 样品在77 K变形后的微观结构变化。在施加的应变超过最大可回复应变后,产生了残余的薄板状马氏体,其主要由高密度的纳米孪晶组成。而应力诱发的马氏体使得样品产生了异常高的应变硬化速率。在异质层状结构中,马氏体先在容易形核的细晶中产生(晶界上有NiAl析出相,可作为马氏体形核的位点),而粗晶的存在使得样品不易断裂,保持了一定的韧性。在这个过程中,除了马氏体相变外,得益于特殊的异质层状结构,非均匀形变诱发的强化,也为样品在低温下产生超高的加工硬化做出了一定的贡献。


图5 样品在298 K,873 K, 1073 K拉伸后的微观结构变化。室温下,产生了显微带,结合由异质结构提供的非均匀变形诱发的强化,提高了应变硬化速率。在873 K, 强度主要是由纳米析出相提供的,而在此温度下,应力-应变曲线上的锯齿状则是由于位错与纳米析出相的反复作用。在1073 K, 层错的产生为样品在高温条件下提供了一定的强度,而纳米析出相对于位错的钉扎效应则大大降低。在高温条件下,之前晶界上析出的NiAl可强化晶界,防止沿着晶界断裂,提高了样品在高温条件下的韧性。


封面来源于图虫创意


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