相变与孪晶作用的协同效应在调控多相高熵合金的超塑性变形中的作用

《Journal of Alloys and Compounds》：Synergistic Role of Phase Transformation and Twinning in Governing the Superplastic Deformation of a Multiphase High Entropy Alloy

本研究系统探究了Al0.5CoCrFeNiCu多相高熵合金在950℃和1000℃下的超塑性变形行为及机制，发现温度调控显著影响相变与孪晶动态演化。950℃时B2相析出抑制晶粒生长但促进后续粗化，导致应变硬化加剧和明显缩颈；1000℃时B2相溶解引发晶粒长大，但退火孪晶形成有效稳定组织。两温度下变形机制存在本质差异，揭示相变-孪晶协同作用对细晶超塑性的调控机制。

　　

段涛|邹国通|李俊|彭思哲|边白雪|陈世杰|叶凌颖

中南大学材料科学与工程学院，中国长沙，410083

摘要

本研究探讨了一种多相Al_0.5CoCrFeNiCu高熵合金（HEA）的超塑性变形行为及其内在机制，重点研究了变形参数、B2相变和孪晶的作用。通过热机械加工制备了一种平均晶粒尺寸约为2.08 μm的细晶板材。该合金在950 ℃时的超塑性伸长率达到1280%，在1000 ℃时达到1350%，初始应变速率为0.0005 s^-1。在这些温度下，合金表现出不同的力学响应和变形机制。在950 ℃时，B2相的析出有效抑制了晶粒生长；然而，随后B2相颗粒的粗化阻碍了晶界滑移（GBS），导致二次应变硬化、应变率敏感性（m值）降低以及明显的缩颈现象。在后期变形阶段，退火孪晶的增多细化了晶粒，有助于保持细晶微观结构。相比之下，在1000 ℃时，B2相的溶解促进了晶粒生长，但二次应变硬化及相关效应显著减弱。此外，晶粒生长促进了退火孪晶的早期形成，进而抑制了进一步的晶粒生长，使得超塑性流动更加稳定和均匀。

引言

高熵合金（HEAs）通常由五种或更多主要元素组成[1]，具有出色的机械强度、热稳定性和耐腐蚀性，以及可调的功能特性[2]。由于这些特性，HEAs在汽车[3]、能源[4]和生物医学[5]领域展现出巨大潜力。然而，仍存在一些挑战，如高变形阻力、大规模生产的困难以及对相稳定性的理解有限[6]。超塑性成形是一种广泛采用的近净成形技术，用于制造复杂部件[7]、[8]，具有低成本[9]、高尺寸精度和降低流动应力[10]等优点，为克服HEAs的加工限制提供了可行的方法。

与传统超塑性合金类似，晶界滑移（GBS）、位错蠕变和扩散蠕变仍然是HEAs中的主要超塑性变形机制，这一点在Jeong[11]和Li[12]的研究中得到了充分证明，其中GBS被确定为主要机制。值得注意的是，与单相HEAs相比，多相HEAs由于其多相结构能够协同优化性能而逐渐成为研究焦点[13]、[14]。这种优势也体现在超塑性上。多相结构可以比单相HEAs实现更大的伸长率[15]、[16]，因为不同相在超塑性变形过程中相互抑制晶粒生长，并可通过粒子诱导成核（PSN）[17]、[18]促进再结晶，进一步细化晶粒。然而，多相HEAs的高温力学行为受到多种复杂因素的影响[19]、[20]。除了传统的超塑性变形机制（如GBS）外，其他机制（如DRX、相变和孪晶）在不同温度范围内也可能发挥关键作用。例如，在高温超塑性变形范围内，DRX行为[21]、[22]和潜在的相变过程[23]、[24]（如有序-无序转变或次级相的析出/溶解）可以显著影响晶界结构和滑移阻力。Shaysultanov[25]等人展示了与相变相关的扩散效应如何适应GBS并促进超塑性所需的微观结构演变。此外，低能退火孪晶的形成可以有效降低系统能量，并在超塑性变形过程中提高微观结构的热稳定性[26]、[27]。Ahmed[28]等人还观察到，孪晶的存在可能导致孪晶诱导的动态再结晶（TDRX），其中位错-孪晶相互作用使相干孪晶界（TBs）变得不稳定，促使它们转变为常规的高角度晶界（HAGBs），提供了另一种DRX途径[29]。这些复杂机制的相互作用及其对温度、应变速率和微观结构的敏感性是理解HEAs超塑性变形机制的关键和挑战性方面[30]、[31]。

据报道，在含Al的HEAs中，Al含量超过8%时会促进B2相的形成[32]、[33]。然而，当Al含量超过11%时，B2相比例的增加会导致严重的延展性下降[34]。为了解决这个问题，本研究将Al含量控制在约9%，以调节B2相比例，并引入Cu形成富Cu的次级相，从而设计出一种多相Al_0.5CoCrFeNiCu HEA。这种成分产生了理想的多相微观结构，主要由FCC1基体和富Cu的FCC2相组成，同时含有少量的有序B2相。这种多相结构在静态高温下显著提高了热稳定性，使该合金成为超塑性成形的理想候选材料。尽管我们之前的研究[35]简要讨论了B2相在超塑性变形不同阶段的影响，但尚未进行系统和深入的分析。

总之，多相HEAs的超塑性变形机制，特别是涉及再结晶、相变和孪晶的微观结构演变的作用，目前还不够清楚。为此，本研究选择了Al_0.5CoCrFeNiCu多相HEA作为研究材料。通过热机械加工制备了平均晶粒尺寸为2.08 μm的细晶板材。系统研究了该合金在不同温度和应变速率下的超塑性变形行为，特别关注相变和孪晶作为超塑性流动中的适应机制的作用。研究结果为多相HEAs的超塑性变形机制提供了重要见解，并为这类材料在实际超塑性成形应用中的进一步发展提供了支持。

材料制备和高温拉伸试验

HEA锭是通过真空电弧熔炼纯金属（Al、Co、Cr、Fe、Ni、Cu）制备的，这些金属的纯度均超过99.9%（重量百分比）。铸态合金的精确化学成分通过电感耦合等离子体（ICP）质谱法获得，如表1所示。初始锭材通过线切割加工成45 mm × 22.5 mm × 22.5 mm的尺寸。HEA板材制造过程和超塑性拉伸试验的示意图如下

Al_0.5CoCrFeNiCu HEA的初始微观结构

图2a和2b展示了退火后的SEM图像及相应的EDS元素分布图。FCC2相沿RD方向连续分布。FCC1基体富含Co、Cr和Fe，而FCC2相富含Cu和Ni。Al和Ni在两种相之间均匀分布，FCC2相中的Ni含量高于FCC1基体。图2c-2h显示了退火后的合金的EBSD分析结果。经过严重的冷轧和1000 ℃处理后

超塑性变形过程中的相变适应机制

图9a和9b展示了在950 ℃、初始应变速率为0.0005 s^-1条件下测试样品的断裂区域的SEM图像及相应的EDS元素分布图，揭示了高温拉伸试验后的元素分布。B2相富含Al和Ni。在超塑性变形过程中，变形引起的局部应力集中为相变提供了额外的驱动力。

结论

通过热机械加工制备了Al_0.5CoCrFeNiCu细晶多相HEA。系统研究了相变和退火孪晶对其在不同条件下的超塑性变形行为的影响，主要发现如下：

1.

通过热机械加工制备了平均晶粒尺寸为2.08 μm的Al0.5CoCrFeNiCu多相HEA超塑性板材。在950 ℃时，伸长率达到了1280%和1350%

未引用的参考文献

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CRediT作者贡献声明

邹国通：可视化、验证、方法学。段涛：撰写——初稿、可视化、验证、正式分析、数据管理。李俊：可视化、验证。叶凌颖：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、方法学、资金获取。陈世杰：可视化。边白雪：可视化、验证。彭思哲：可视化、验证。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国航空科学基金（编号202400360M4001）的支持。