通过调控马氏体转变过程实现Co-36.8Ni-39.2Al-24过共晶中熵合金的强度与延展性协同优化

通过650-950℃退火调控Co36.8Ni39.2Al24高熵合金析出物形貌，发现800℃形成低错配L1?纳米析出物，有效抑制DIMT动力学，实现强度-塑性协同优化；而950℃粗大FCC析出物加速DIMT，导致塑性下降。研究揭示了析出物特性对DIMT及TRIP效应的调控机制。

　　

刘浩翔|何一轩|姚东瑞|曾世彦|李夏禾|张浩然|焦志超|刘旭东|王海峰

西北工业大学凝固加工国家重点实验室与先进润滑与密封材料研究中心，中国西安，710072

摘要

通过调控变形诱导的马氏体转变（DIMT），可以有效地克服高熵合金中的强度-延展性trade-off问题。沉淀物的特性在控制DIMT行为中起着关键作用。本研究选取了含有大量初生B2相的Co_36.8Ni_39.2Al₂₄过共晶中熵合金（HMEA），以阐明DIMT的贡献。通过对Co_36.8Ni_39.2Al₂₄ HMEA进行650–950 °C等温退火处理，研究了其沉淀行为及其对机械性能的影响。在650 °C以上的温度下退火时，B2基体中的原有马氏体完全消失。具体而言，800 °C退火产生了高密度的纳米级、有序的L1₂沉淀物，这些沉淀物与B2基体具有Kurdjumov-Sachs（K-S）取向关系；而更高温度下则形成了粗化的、无序的面心立方（FCC）沉淀物，且失去了K-S取向关系。800 °C退火后的样品表现出最佳的强度-延展性协同效应，这得益于原有马氏体的完全消除以及低失配度的L1₂沉淀物的存在，后者有效减缓了DIMT动力学，从而保持了较高的加工硬化率。相比之下，950 °C下形成的高失配度FCC沉淀物作为高应变 nucleation位点，加速了DIMT过程并导致快速转变饱和，削弱了变形诱导塑性（TRIP）效应。本研究为通过沉淀物调控DIMT提供了基础性见解，并提出了一种设计高性能高熵合金的实用策略。

引言

在高熵合金（HEAs）中解决强度-延展性trade-off问题一直是材料科学中的一个持续挑战[1,2]。除了传统的强化方法（如晶粒细化、固溶强化和沉淀强化[[3], [4], [5], [6]]外，还出现了在塑性变形过程中引入新型强化机制的策略，以开发高性能HEAs。这些方法包括通过堆垛错能（SFE）调控促进孪晶诱导塑性[7,8]、利用短程有序结构影响位错滑移[9]以及构建异质结构以实现协同硬化[10]。其中，引入变形诱导的马氏体转变（DIMT）以产生变形诱导塑性（TRIP）效应已被证明特别有效，显示出显著的增强强度和延展性协同性的潜力[[11], [12], [13]]。

大量研究表明，TRIP效应通过在塑性变形过程中诱导持续的、有效的加工硬化率来克服强度-延展性trade-off[14,15]。李等人[14]通过精确控制成分和SFE设计了亚稳态HEAs，这些合金通过面心立方（FCC）→六方密排（HCP）的DIMT过程表现出优异的综合性机械性能。陈等人[16]通过原位观察进一步证明，显著的强化效应来源于更硬的马氏体的动态形成以及新形成的马氏体-母相界面对位错滑移的有效阻碍。

饱和马氏体分数和转变动力学对TRIP效应的强化贡献至关重要。Jo等人[17]调整了Fe₄₆Co₃₀Cr₁₀Mn₅Si₇V₂ HEA的再结晶退火过程，使其晶粒变粗。FCC相稳定性的降低成功提高了合金中的饱和马氏体分数，从而增强了加工硬化率。值得注意的是，虽然饱和马氏体分数存在内在极限，但通过增加母相的初始含量可以进一步增强TRIP效应。例如，350 °C的低温退火可以有效消除Al₂₁Co_19.5Fe_9.5Ni₅₀共晶HEA在快速冷却过程中在B2相中形成的热诱导原有马氏体。可转变母相体积分数的增加显著增强了TRIP效应。此外，DIMT的动力学在提升性能方面也起着重要作用[18]。Sohrabi等人[19]报告称，在低应变下快速形成α′-马氏体并不能实现最佳延展性；相反，在高应变范围内保持TRIP效应可以克服强度-延展性trade-off。随后，通过添加Si降低SFE，既增加了饱和马氏体分数，又减缓了转变动力学，从而使合金在塑性变形后期保持较高的加工硬化率，从而延缓了颈缩现象[20]。

调控沉淀物特性对于控制先进合金中的DIMT动力学至关重要。沉淀物不仅促进核化或抑制生长，还引入了局部应力和应变场以及成分梯度，这些因素直接影响马氏体行为[12]。相干或半相干的沉淀物可作为优先的核化位点，而它们的大小、分布和界面相干性则决定了马氏体的生长[21]。细小、相干的沉淀物还能增强基体并影响转变所需的应力[22]。然而，过量或不相干的沉淀物可能会过度稳定母相或促进裂纹形成，从而降低延展性，除非通过TRIP效应进行平衡[23]。因此，需要采用综合考虑沉淀物诱导应力演变、相界性质和成分效应的集成设计方法，以精确调控DIMT动力学并优化强度-延展性协同性。

为了阐明沉淀物与DIMT之间的耦合效应，选择了含有大量初生B2相的Co_36.8Ni_39.2Al₂₄过共晶中熵合金（HMEA），以突出TRIP效应的贡献[24]。该合金在650、800和950°C下进行退火，系统评估了退火温度对沉淀行为和初生B2相中原有马氏体含量的影响（详见补充材料）。随后，定量评估了机械性能和DIMT动力学，以阐明微观结构形态对TRIP效应的影响。本研究为通过调控沉淀物特性来控制转变动力学提供了有效指导。

材料制备

Co_36.8Ni_39.2Al₂₄ HMEA锭是在氩气氛围下通过电弧熔炼高纯度金属（> 99.9 wt.%）制备的。每个锭子至少翻转并重新熔炼五次以确保化学均匀性，然后在氩气中于1200 °C下保温1小时进行均质化，最后在氩气中淬火并空气冷却。均质化后的样品分别命名为A650、A800和A950。

材料表征

相

微观结构演变

图1(a)展示了AC样品的微观结构，其特征为具有树枝状初生相和枝晶间的共晶区域。由于成分偏离共晶点，初生树枝状相首先凝固。随后，当剩余液体达到共晶成分时，两种相协同凝固形成层状共晶结构[24,32]。放大视图（图1(a₁和a₂）显示了...

讨论

本研究结果表明，A800合金实现了最佳的强度-延展性协同效应，这得益于原有马氏体的完全消除以及L1₂沉淀物调控的DIMT动力学。为揭示其背后的机制，我们首先分析了不同退火温度下沉淀物的形成机制，随后系统研究了沉淀物特征对DIMT动力学的影响。

结论

本研究通过650–950°C等温退火调控了Co_36.8Ni_39.2Al₂₄过共晶中熵合金的微观结构和机械性能。主要发现总结如下：

(1)

在650°C以上的温度下退火时，原有马氏体完全消失。微观结构从无沉淀物状态（650°C）发展为均匀分布的纳米级有序L1₂沉淀物（800°C），最终变为粗化的孪晶FCC沉淀物（950°C）。

(2)

作者贡献声明

刘浩翔：撰写 – 原始草稿、方法论、数据整理、概念构建。何一轩：项目管理、资金获取。姚东瑞：方法论、实验研究。曾世彦：方法论、实验研究。李夏禾：数据分析。张浩然：数据可视化。焦志超：指导监督。刘旭东：撰写 – 审稿与编辑、验证。王海峰：指导监督、项目管理。

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

本研究得到了西北工业大学凝固加工国家重点实验室（项目编号2024-ZD-02）、国家自然科学基金（项目编号52401062）、“航空航天专用润滑与密封”陕西省科技创新团队（项目编号2024RS-CXTD-63）以及国家大学生创新创业培训计划（项目编号S202410699821）的支持。