FCC/HCP双相CoCrFeNiNb合金的高温力学性能及热变形机制 0.45 wt%共晶高熵合金

《Journal of Alloys and Compounds》：High-temperature mechanical properties and hot deformation mechanisms of FCC/HCP dual-phase CoCrFeNiNb 0.45 eutectic high-entropy alloy

高温下CoCrFeNiNb0.45高熵合金的压缩性能与变形机制研究表明，该合金在1073~1373K范围内保持优异的高温强度（1073K时屈服强度超600MPa，1373K时仍达106MPa），其FCC/HCP双相协同变形及动态软化机制（DRV、DRX、AT耦合作用）主导了高温变形行为。

　　

B.J. 王 | W.B. 刘 | W. 张 | G.P. 任 | Z.W. 胡 | W.W. 张 | H.L. 徐 | J.F. 李

中国西安有色金属研究院，710016

摘要

新开发的CoCrFeNiNb_0.45共晶高熵合金（EHEA）结合了共晶合金优异的铸造性能和高熵合金（HEAs）出色的综合性能，近年来引起了广泛的研究关注。然而，其高温力学性能尚未得到充分研究，热变形过程中FCC/HCP双相的协同作用也尚未明确。本研究旨在探讨CoCrFeNiNb_0.45 EHEA在1073~1373 K（0.01 s?1）范围内的高温压缩性能，并阐明其热变形机制和FCC/HCP的协同变形行为。铸态合金在1073 K时的屈服强度超过600 MPa。尽管屈服强度随温度升高而单调下降，但在1373 K时仍保持106 MPa。该合金表现出优异的高温相稳定性，在热压缩后仍保持FCC/HCP双相结构。热压缩过程中，FCC相形成了位错网络和大量的低角度晶界（LAGBs），而HCP相主要通过堆垛错来适应变形。因此，合金的动态软化主要由延展性较好的FCC相主导。此外，FCC相中的退火孪晶（AT）作为关键的辅助软化机制，有效缓解了热压缩过程中的加工硬化。在1073~1253 K范围内，软化由动态恢复（DRV）控制；而在1253~1373 K范围内，软化机制转变为动态再结晶（DRX）。总体而言，CoCrFeNiNb_0.45 EHEA的热变形行为受到双相协同变形以及DRV、DRX和AT耦合效应的共同控制。

引言

高熵合金（HEAs）具有较高的机械强度[1]、优异的耐腐蚀性[3]和出色的高温稳定性[4]，这些优异性能源于四个核心机制：热力学高熵效应[5]、动力学慢扩散效应[7]、晶格畸变效应[8]和性能协同效应[9][10]。由于这些优势，HEAs已成为航空航天工程和高端设备制造等关键应用领域中极具前景的先进结构材料。近年来，在材料科学界，共晶高熵合金（EHEAs）已成为研究热点[11][12][13]。

EHEAs有两个核心特征：首先，每种主要元素的摩尔分数在5%~35%的HEA组成范围内；其次，它们在固化过程中形成两种或更多相的共晶结构。与单相HEAs相比，EHEAs保留了HEAs的固有优势，同时减少了铸态单相HEAs常见的成分偏析和粗晶粒问题[14][15]。这种改进得益于细小的层状或棒状共晶结构，提高了铸造流动性和成形质量。与传统二元或三元共晶合金相比，EHEAs利用多主要元素组成的高熵效应，拓宽了共晶结构形成范围，增强了合金成分设计的灵活性[16][17][18]。通过协调元素比例，可以精确控制共晶相的类型、尺寸和分布，克服了传统共晶合金在高温强度、疲劳抗力和耐腐蚀性方面的性能限制。总之，EHEAs不仅改善了单相HEAs较差的铸造性能，还在关键应用性能上具有超越传统共晶合金的潜力。

自2014年Lu等人首次提出EHEAs的概念[17]以来，已进行了大量基础研究，主要集中在三个核心研究方向[19][20]。在成分设计方面，研究策略从基于二元共晶相图的简单混合发展为系统化的方法，结合了伪二元计算和热力学参数控制[21][22]。Jiang等人[22]提出了一种结合混合焓和二元共晶成分的设计策略，成功确定了（CoCrFeNi）M_x（M = Nb, Ta, Zr, Hf）HEAs的共晶成分。同时，机器学习被应用于加速共晶成分筛选，促进了典型EHEA系统的开发。Krishna等人[23]利用机器学习预测了固溶体和金属间相的多相合金系统。在制备技术方面，实现了EHEAs的公斤级大规模铸造，工艺从电弧熔炼（用于小尺寸锭材）发展到电磁感应熔炼[24][25]。制备方法也通过增材制造等技术得到了扩展[26][27]。在性能研究方面，现有研究主要集中在室温性能表征，包括压缩、拉伸和硬度测试[28][29][30]。

在各种EHEA体系中，CoCrFeNiNb_x系列因其优异的室温强度-塑性协同性而受到最广泛的研究。Wang等人[31]报告称，CoCrFeNiNb_0.45合金在室温下的压缩断裂强度超过1.8 GPa，断裂应变达到26%。然而，以往的研究主要集中在共晶成分筛选、微观结构表征和室温性能测试[32][33][34]上，对其高温力学性能和热变形机制的全面系统研究尚不足。现有研究证实，CoCrFeNiNb_x EHEA的固化结构由软质的FCC固溶相和硬质的HCP金属间相组成[35][36]。延展性较好的FCC相和硬质的HCP相在高温下表现出不同的晶体结构、滑移系统和动态响应特性。它们的协同变形和相互作用对合金的整体流动行为、加工硬化-软化平衡和相稳定性至关重要。值得注意的是，共晶FCC相和HCP相之间存在明显的晶体取向关系[31]，如{100}_FCC∥{0001}_HCP、{110}_FCC∥{11-20}_HCP和{111}_FCC∥{10-10}_HCP。然而，这些关系如何影响其高温变形过程（包括位错滑移和FCC/HCP的协同作用）仍不清楚。

基于上述研究空白，本研究明确提出了以下关键科学问题：（1）CoCrFeNiNb_0.45 EHEA在1073~1373 K范围内的高温压缩性能如何，它们随温度如何变化？（2）其热变形机制是什么，主导软化机制的转变规律是什么？（3）FCC/HCP双相如何协同变形，它们的取向关系在高温变形中起什么作用？因此，本研究探讨了CoCrFeNiNb_0.45 EHEA在1073~1373 K（0.01 s?1）范围内的高温压缩性能、热变形机制和FCC/HCP的协同作用。预期成果是阐明力学性能的变化规律，揭示DRV→DRX的软化机制转变，并确认双相的协同变形行为。这项研究有望为高温结构EHEAs的设计和优化提供理论参考。

实验方法

实验方法

质量约为5 kg的CoCrFeNiNb_0.45 EHEA锭材由高纯度的Co、Cr、Fe、Ni和Nb（>99.95 wt%）制成。熔炼在真空电磁悬浮炉中进行。熔炼前，将炉腔抽至4.5×10?2 Pa，然后用高纯度氩气重新填充至约5 Pa。第一个熔炼周期包括完全熔化、保持约4分钟，然后炉冷。这个真空熔炼周期重复四次以确保成分均匀性。随后制备样品用于后续测试。

凝固微观结构及组成相的高温稳定性

1(a)显示了铸态CoCrFeNiNb_0.45 EHEA的XRD图谱。XRD衍射峰仅对应于FCC（PDF编号#88-2323，空间群：Fm-3m，编号225）和HCP（PDF编号#88-2323，空间群：P6₃/mmc，编号194）相，未观察到杂质相的额外衍射峰。图1(b)显示了铸态合金的EBSD相分布特征。

结论

本研究探讨了铸态CoCrFeNiNb_0.45 EHEA在1073~1373 K（0.01 s?1）范围内的高温压缩性能和热变形机制，以解决现有研究中不明确的高温变形机制和双相协同变形机制问题。主要结果总结如下：

• (1)
  该合金在1073 K时的屈服强度超过600 MPa。随着变形温度的升高，屈服强度和峰值流动应力均有所下降。

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

本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号2021YFA0716301）和西北有色金属研究院人才培养项目（项目编号0701YK2407）的财政支持。