通过异质结构及沉淀物，在新型（CoFeNi）84Al-6Ti-6Mo-4高熵合金中实现了良好的强度-韧性平衡

《Materials Science and Engineering: A》：Achieving a good strength-ductility balance in a novel (CoFeNi) 84Al 6Ti 6Mo 4 high-entropy alloy via heterogeneous structure and precipitates

基于JMatPro模拟设计出含6 at.% Ti、6 at.% Al和4 at.% Mo的CoFeNi合金，通过二次冷轧+双时效退火（CRCAA）工艺获得粗/细晶混合非再结晶组织，晶界富集L2?大块相与μ相纳米析出，晶内分布大量L1?纳米析出相（平均16 nm），非再结晶区高密度位错。该合金实现1206 MPa屈服强度与11.6%塑性协同优化，强化机制涵盖传统析出/位错强化与HDI协同强化，为先进材料设计提供新范式。

　　

雷王|王波|苗佳乐|赵斌峰|沈俊|邹俊涛|张国军

西安工业大学材料科学与工程学院，中国西安，710048

摘要

基于JMatPro模拟数据，设计了一种含有6原子百分比Ti、6原子百分比Al和4原子百分比Mo的CoFeNi合金。该合金通过热机械加工工艺制备，包括二次冷轧和双时效退火处理（CRCAA）。在宏观尺度上，CRCAA合金形成了由粗晶区、细晶区和非再结晶区组成的部分再结晶异质微观结构。微观观察发现，晶界处分布着拉长的L2₁相沉淀物和细小的μ相颗粒，而晶粒内部和非再结晶区则含有大量的初级L1₂沉淀物（平均尺寸约为86纳米）以及高密度的纳米级次级L1₂沉淀物（平均尺寸约为16纳米）。此外，非再结晶区还含有大量的位错。得益于这种独特的微观结构，该合金表现出优异的机械性能：屈服强度约为1206 MPa，抗拉强度约为1519 MPa，延展率约为11.6%。从两个不同的角度（传统强化机制（包括沉淀强化和位错强化）和HDI强化）讨论了其强化机制。断裂形貌分析和拉伸变形样品的TEM表征表明，合金的塑性变形主要通过位错滑移实现，同时微带形成也起到了辅助作用。因此，设计出具有高密度纳米级L1₂沉淀物的部分再结晶异质微观结构，为开发具有优异强度-延展率组合的先进材料提供了一种可行的策略。

引言

2004年，Yeh等人和Cantor等人分别提出了一种新型合金设计概念，即多组分高熵合金（HEAs）[1]、[2]。在高熵合金（HEAs）的初期研究中，单相固溶体高熵合金得到了更广泛的研究[3]。在这些固溶体中，最常见的三种晶体结构是面心立方（FCC）、体心立方（BCC）和六方密排（HCP）[4]、[5]。对FCC结构HEAs的广泛研究表明，与其他晶体结构相比，它们具有优异的耐腐蚀性[6]、[7]、强磁性能[8]和良好的机械性能[9]、[10]，因此成为近期研究的重点。尽管FCC结构HEAs具有一系列优异的性能，但其机械行为往往受到强度和塑性之间显著权衡的影响。例如，CoCrNi合金的延展率可达约72%，但其室温屈服强度仍低于400 MPa[11]。为了解决这一限制，研究人员采用了四种主要的强化方法：固溶体强化、晶界强化、变形强化和沉淀强化来提高机械性能。

在这四种强化方法中，沉淀强化被认为是提高FCC结构HEAs强度最有效的方法。特别是添加了形成L1₂相的Ti和Al元素，通过沉淀有序相来实现强化。由于L1₂沉淀物的优异强化效果，许多研究人员在这一领域进行了大量研究[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]。例如，Yang等人报告称，在(FeCoNi)₈₆Al₇Ti₇ HEA中，高密度的近球形L1₂沉淀物均匀分布，使其具有出色的室温机械性能，包括约1.0 GPa的屈服强度和50%的延展率[12]。He等人报告称，通过引入尺寸在10～100纳米之间的L1₂沉淀物，Ni₂CoCrFeTi_0.24Al_0.2 HEA实现了约1.3 GPa的超高压屈服强度[13]。此外，Liu等人报告称，通过引入B2沉淀物，Al₁₆Cr₂₀Fe₁₀Co₃₀Ni₂₄和Ni_41.9Co₁₉Cr₁₀Fe₁₀Al₁₅Mo₂Ti₂B_0.1合金实现了约1.1 GPa的高屈服强度[36]、[37]。另外，Liu等人使用不同的加工方法制备了含有μ相的CoCrNiAl_0.1Mo_0.1合金，获得了约900 MPa的屈服强度和约40%的延展率[38]、[39]。此外，L2₁沉淀物也被引入FCC基体中，在(FeCoCrNi)₈₉Ti₆Al₅ HEA中实现了约1136 MPa的高屈服强度[40]。除了沉淀强化外，异质结构材料还可以通过其软硬区的协同变形来平衡强度和延展性[41]、[42]、[43]、[44]，这引起了广泛的研究兴趣。一个典型的例子是部分再结晶微观结构（一种常见的异质结构材料），Ni₂CoCrFeTi_0.24Al_0.2 HEA就展示了这种结构的优异性能，其屈服强度为1.3 GPa，延展率为20%[43]。

在本研究中，我们利用JMatPro模拟设计了一种新型的(CoFeNi)₈₄Al₆Ti₆Mo₄ HEA。添加Al和Ti有助于形成L1₂沉淀物，从而增强有序沉淀强化效果。同时，加入Mo可以促进μ相沉淀或增强固溶体强化。根据JMatPro模拟结果，L1₂沉淀物和μ相的形成温度分别约为1035°C和874°C（见图S1）。通过适当的冷变形和热处理工艺，合金的微观结构在宏观和微观尺度上都得到了优化，以实现屈服强度（约1206 MPa）和延展率（约11.6%）之间的最佳平衡。因此，这种多尺度微观结构的合理控制为开发具有优异机械性能的先进材料提供了范例。

实验细节

实验方法

实验使用了高纯度金属（≥99.9%）通过八次真空电弧熔炼制备了名义组成为(CoFeNi)₈₄Al₆Ti₆Mo₄的合金锭，以确保成分均匀性。熔炼前将腔室抽至5×10^-4 Pa，然后用高纯度氩气（99.999%）作为保护气氛。铸锭通过电火花加工（EDM）切割成块状。经过三轮惰性气体净化后，继续进行后续处理。

微观结构

图1(a)显示了CRCAA、CRCRA和CRCR合金的XRD图谱。这三种合金均显示出对应于FCC结构的特征峰。FCC衍射峰与L1₂沉淀物的衍射峰重叠，未观察到L1₂相的超晶格衍射峰。然而，随后的SEM和TEM分析确认了L1₂沉淀物的存在。超晶格峰的缺失可能是由于纳米尺度效应导致的峰宽化和散射减弱所致。

结论

总结来说，我们通过向CoFeNi基体中添加Al、Ti和Mo，成功设计并制备了一种新型的(CoFeNi)₈₄Al₆Ti₆Mo₄高熵合金。通过优化的热机械工艺（二次冷轧和双时效退火（CRCAA），该合金形成了由粗晶区、细晶区和非再结晶区组成的部分再结晶微观结构。在晶界处，微观结构呈现出拉长的或大块状的L2₁相沉淀物。

作者贡献声明

雷王：撰写 – 审稿与编辑，资料收集，实验研究。沈俊：撰写 – 审稿与编辑。赵斌峰：撰写 – 原始草稿，方法学研究，实验研究。邹俊涛：撰写 – 审稿与编辑。张国军：撰写 – 审稿与编辑。王波：撰写 – 原始草稿，方法学研究，实验研究。苗佳乐：方法学研究

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

数据可用性

目前无法共享用于重现这些结果的原始/处理数据，因为这些数据也是正在进行的研究的一部分。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号51501147、52074219）和航空科学基金（编号2023Z0530T6002）的支持，以及材料力学行为国家重点实验室（编号20242608）的资助。