金属材料在国民经济、航空航天和国防建设等关键领域中起着至关重要的作用，是推动社会发展的重要基础。然而，传统金属材料的强度和塑性往往存在相互制约的关系。如何克服这种“倒置”关系，实现金属材料强度和塑性的同步提升，是目前研究的重点之一。高熵合金（HEAs）突破了传统合金设计理念，将合金设计体系拓展到以多种元素为主元的领域，具有广泛的设计空间。现有研究往往集中于室温下具有良好强度和延展性组合的高熵合金。然而，实际应用中像航空发动机、燃气轮机和航天结构的热端部件通常在高温下运行，而且会面临外来物体的撞击等极端情况。因此，制备出能在不同温度和应变速率下具有良好的强度和延展性组合的高性能高熵合金是未来材料研发的重要方向。此外，许多部件形状复杂，传统制造技术生产成本高且周期长，增材制造技术因其“离散－堆积”的快速成形特点具有巨大潜力。因此，应用增材制造技术制备具有良好性能的高熵合金也势在必行。
近日，太原理工大学王志华教授团队，联合温州大学陈希章教授、南京理工大学沙刚教授和美国田纳西大学Peter K. Liaw教授，利用粉末等离子弧增材制造(PPA-AM)技术制备出一种具有多重异质微观结构的CoCrFeNiTa0.2Nb0.1共晶高熵合金。研究使用改进的霍普金森杆系统和电子万能试验机，对该合金在293 K-1473 K的温度范围和0.001 s-1-5000 s-1的应变率范围内进行单轴压缩试验，分析其流动应力的温度和应变率依赖性。结果显示，该合金在选定的温度和应变速率范围内表现出卓越的强度和延展性。研究还对不同温度和应变速率下的微观结构演变进行了表征，揭示了其不同条件下的强化机制。此外，在不同应变速率下还观察到第三型应变时效现象，随着应变速率的增加，这种现象转移到更高的温度范围。钽和杂质原子硅作为“溶质原子”，形成原子气团和硅化物，在FCC相中钉扎移动位错。本研究探索了一种在宽温度和应变速率范围内实现卓越强度和延展性协同的新途径，为设计具有优异性能的合金提供了新的思路和方法。相关成果以Coupling effects of temperature and strain rate on the mechanical behavior and microstructure evolution of a powder-plasma-arc additive manufactured high-entropy alloy with multi-heterogeneous microstructures为题，在材料科学领域顶刊Acta Materialia上发表。
为了研究高熵合金在高温和高应变速率下的力学行为，使用如图1(a)所示的改进型分离式Hopkinson压杆(SHPB)系统进行了高应变率压缩试验以及带有高温系统的静力试验机进行了准静态压缩试验。应变率范围为0.001s-1和5000s-1，温度范围为293K-1473K。改进的SHPB系统包括高精度时间延迟装置和双向驱动异步组装系统，以精确准确控制冷接触时间(CCT)，图1(b)为连续十次测量得到的CCT，并且组装时可以避免对试样施加大冲击力，确保在高温条件下试验的可靠性。
图1 (a) 改进型SHPB装置示意图， (b)试验中测量得到的CCT时间。
研究表明单一相或简单结构金属难以实现在宽温域、宽应变率范围内同时具有高的强度和延展性。为此，团队通过粉末等离子电弧增材（PPA-AM）制造得到的CoCrFeNiTa0.2Nb0.1共晶高熵合金具有多重异质微观结构，包括异质晶粒结构、高熵FCC/Laves双相异质结构以及高熵Laves相中的不规则层状和块状异质结构。图2为材料的初始微观结构图，其中(a)XRD分析表明该合金包含FCC相和Laves相。图2(b)为EBSD结果表明晶粒尺寸呈现双峰分布，包含尺寸约为7-75μm的等轴晶粒和等效直径约为150-575μm的柱状晶粒。图2(c)为BSE图像，进一步展示了Laves相和FCC基体的共晶微观结构，Laves相占比约为28%，表现为厚度300-500nm的不规则层状结构和长度400nm-25μm的不规则块状结构。图2(e)-(f)中APT显示了合金中各组分元素的分布，结果表明两相均为高熵相。这种具有多重异质微观结构高熵合金有望在宽温域、宽应变率范围内同时具有高的强度和延展性。
图2 CoCrFeNiTa0.2Nb0.1共晶高熵合金的初始微观结构。
压缩试验结果表明(图3)，不同条件下CoCrFeNiTa0.2Nb0.1共晶高熵合金均展示出优异的力学性能。静态常温屈服强度近1000Mpa, 压缩应变超60%仍未见宏观裂纹；在5000s−1应变率、1473K条件下屈服强度仍超500MPa，且在5000s−1应变率不同温度下破坏应变均超30%。在不同应变率下，该合金的塑性流动行为中均出现了第三型应变时效(3rd SA）。
图3 CoCrFeNiTa0.2Nb0.1共晶高熵合金的真实应力应变曲线以及流动应力随温度变化曲线。
为了进一步探究其力学行为背后的微观变形机理，通过EBSD、BSE和TEM对不同温度和应变率下变形后试样的微结构进行了表征，如图4-6所示。EBSD显示出在FCC相中，特别是靠近相界处，GNDs的密度较高。Laves相内部也存在GNDs，表明Laves相在这些条件下可以发生塑性变形。BSE表明大量Laves相在变形后产生了裂纹。然而，这些裂纹在界面上被完全终止，表明了FCC基体及界面具有优异裂纹终止能力。TEM结果表明在不同温度和应变率下变形孪晶(DTs)均在FCC相中形成，增加了其强度和延展性。高温条件下FCC相中还观察到动态再结晶(DRX)现象。DRX的出现减少了位错密度，进一步增强了材料的延展性和裂纹钝化能力。Laves相作为一种多主元金属间化合物，由于尺寸效应和高熵效应，其在所选的温度和应变速率范围内均表现出硬且兼具塑性的特性。
图4 不同温度和应变率下20%变形后的EBSD图像。
图5 不同温度和应变率下20%变形后的BSE图像。
图6 不同温度和应变率下20%变形后的TEM图像。
PPA-AMed CoCrFeNiTa0.2Nb0.1共晶高熵合金在中温范围内表现出的高屈服强度，归因于Laves相的硬化效应和FCC相的3rd SA效应。图7为该共晶高熵合金与其他合金在准静态条件下屈服强度随温度变化对比，结果表明相比于其他合金，该高熵合金在700K到1000K的中温范围内具有更高的屈服应力。在1000K以上的高温范围内，尽管某些难熔高熵合金和L12相强化合金具有更高的屈服应力，但它们通常具有较低的延展性。通过结合3rd SA效应和L12相中K-W锁强化效应，可以在中高温范围内有效地增强合金的强度，这为平衡合金在中高温范围内的强度和延展性提供了潜在的途径。
图7 准静态条件CoCrFeNiTa0.2Nb0.1共晶高熵合金与其他合金屈服强度对比。
针对第三型应变时效现象，本研究通过物理模型得到了第三型应变时效影响区域，如图8所示，三条虚线分别为第三型应变时效的起始边界、峰值线和结束边界。值得注意的是，这三条线在超高应变率下会相交于一点。这意味着在超高应变率下，第三型应变时效现象可能会消失，因为在超高应变率下，移动位错在短程障碍前的等待时间非常短，以至于扩散的溶质原子没有足够时间钉扎移动位错。
图8 0.2应变时对数应变率随温度倒数的变化图。
第三型应变时效通常被认为是由溶质原子扩散至障碍前等待的位错周围，形成溶质原子气团并钉扎位错引起的。图9为在773K、0.001s-1条件下变形后微观结构图，这一变形条件对应于第三型应变时效应力峰。如图9(a)-(c)显示，在第三型应变时效出现条件下，FCC基体中大量位错被钉扎，且裂纹难以被FCC相中止。高熵合金作为多主元合金，确定哪种原子作为“溶质”原子形成原子团簇钉扎位错？为回答这一问题，对在773K，0.001s-1变形后的样品进行了APT表征。如图9(d)-(g)所示，杂质原子Si和Ta原子在位错和孪晶周围富集。结合对激活能的计算确定其作为障碍物钉扎位错。
图9 773K、0.001s-1时的微观结构图，对应于第三型应变时效应力峰。
最后针对其在不同条件下变形机理进行总结，得到其在宽温度、宽应变率范围的变形机理图，如图10所示。
图10 宽温度、应变率范围内CoCrFeNiTa0.2Nb0.1共晶高熵合金变形机制图。
太原理工大学机械与运载工程学院王建军副研究员为论文第一作者，通讯作者为太原理工大学马胜国副教授和王志华教授，论文合作者还包括温州大学陈希章教授，南京理工大学沙刚教授和刘晓欢博士生，太原理工大学乔珺威教授，赵聃副教授，焦志明讲师，张团卫讲师，郭泓旭硕士生和田纳西大学Peter K. Liaw教授和Jamieson Brechtl教授。该研究获得国家自然科学基金、山西省自然科学基金等项目的资助。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120147
审核：力学家
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