通过抑制沉淀物的晶粒粗化来提高多主元合金的热加工性能

《Vacuum》：Improving hot workability of multi-principal element alloys by grain coarsening inhibition of precipitates

　　

甘张华|王晓晓|吴传东|徐琪|黄卫明|沈帅|肖丹|周丽霞|刘静

中国湖北省武汉市武汉科技大学先进耐火材料国家重点实验室，邮编430081

摘要

多主元素合金随着合金元素含量的增加，其热裂纹敏感性增强，这主要是由于晶界偏析和晶粒粗化所致。本研究证明，在800℃下预时效10小时可以有效提高(FeNi)₅₈Cr₃₈Mo(AlV)₃合金的热加工性能。在预时效过程中，晶界处的粗大Cr富集相溶解，而细小且分散的σ相在晶粒内部沉淀。由于粗大Cr富集相的溶解以及σ相在热轧过程中的晶粒粗化抑制作用，预时效后的试样表面无裂纹，而未经预时效的试样则出现严重的边缘裂纹。预时效和热轧后，材料的力学性能显著提高：屈服强度从460 MPa增加到1099 MPa，抗拉强度达到1253 MPa，伸长率约为18.7%。本文系统地阐明了沉淀现象及其相应的强化机制，为提高多主元素合金的热加工性能提供了新的途径。

引言

多主元素合金（MPEAs）因其出色的强度和韧性、高温稳定性、耐腐蚀性以及抗疲劳性而受到广泛关注[1,2]。通常，热变形是大多数结构材料工业生产的关键工艺[3]。然而，大多数MPEAs的热加工性能较差，主要是由于非均匀微观结构的形成导致热裂纹的产生[4,5]。因此，这类高性能合金在热变形过程中的屈服率极低，难以实现大规模生产和工程应用。因此，基于对微观结构因素的深入理解，提高MPEAs的热加工性能至关重要。

文献综述表明，偏析相在热变形过程中会削弱晶界，为微裂纹提供起始点，裂纹容易沿晶界扩展，最终导致宏观裂纹。Niu等人[6]报告称，在Fe₁₈Ni₂Ti马氏体钢中，晶界处Ni₃Ti相的形成会导致严重的晶间脆化。多项研究指出，晶粒尺寸会影响晶界偏析的程度。例如，Ishida[7]研究了晶粒尺寸对晶界偏析的影响，发现晶粒尺寸减小时偏析程度降低。Sarkar等人[8]发现，增大晶粒尺寸可以减少动态再结晶的程度，从而显著提高变形抗力。因此，通过控制晶界偏析和晶粒尺寸是减少热裂纹的有效方法。

理论上，分散的第二相颗粒的形成可以减轻晶界的偏析，同时热稳定相可以在热变形过程中抑制晶粒生长。Ming等人[9]报告称，晶粒内部形成Cr富集相可以消除Cr的偏析并避免晶界处粗大相的形成。Li等人[10]发现，热变形后的合金中存在的η-Ni₃(Al,Ti)_0.5Nb_0.5相能有效固定位错，从而显著细化晶粒。

通过调整化学成分，可以在制造过程中有效促进第二相颗粒的形成，从而提高热加工性能。Arribas等人[11]报告称，Ti微合金可以促进细小TiN颗粒的沉淀，有效抑制热变形过程中的晶粒粗化。Bao等人[12]通过添加La来促进(Fe, La)₃C颗粒的沉淀，从而细化了贝氏体微观结构，提高了贝氏体钢的热加工性能。

然而，对于某些合金体系，仅通过凝固过程中的成分微调难以实现分散第二相的沉淀。因此，在热轧前进行预时效处理，控制第二相颗粒的沉淀，也是提高热加工性能的有效方法。Zhang等人[13]通过对Ni-Cr-Al合金进行预时效处理，使Cr富集相沉淀，通过增强动态再结晶和促进均匀塑性变形来提高其热加工性能。Chen等人[14]采用预时效处理使细小的Al₃(Er, Zr)和η相沉淀，从而通过降低流动应力来提高热加工性能。总之，在热变形前引入第二相颗粒是提高热加工性能的有效方法。

基于Fe-Cr-Ni的MPEAs具有优异的高温抗氧化性和应变硬化能力。然而，脆性的σ相的沉淀会影响其延展性。通过控制σ相的大小和空间分布，可以减轻严重的延展性降低。例如，Liu等人[15]在CoCrFeNi合金中添加Mo，并结合高温短时热处理，获得了颗粒状且分散的σ相，避免了由粗大针状σ相引起的严重脆化，使合金的伸长率保持在约19%，同时抗拉强度达到1.2 GPa。通过添加适量的Mo和V来调节σ相的沉淀行为，促进其均匀分散，可以在变形强化的基础上进一步提高合金性能。基于上述合金体系并受相关研究的启发，本研究提出了一种通过预时效处理来提高MPEAs热加工性能的有效策略，系统研究了预时效对热加工性能的影响，分析了预时效过程中的沉淀演变，并阐明了相应的强化机制及其对后续热轧的影响。

节选内容

合金制备

实验使用了纯Fe、Cr、Ni、Mo（纯度>99.9%）、Fe₈₀V₂₀合金和Fe₅₀Al₅₀合金作为原材料。采用真空悬浮熔炼炉制备了(FeNi)₅₈Cr₃₈Mo(AlV)₃合金。熔炼前，将所有原材料及坩埚一起在200℃下烘烤12小时，以完全去除吸附的水分。熔炼过程中，首先将真空度降至3×10^?5 MPa，然后引入高纯度氩气（99.9%），并使用钛锭吸收残留气体

XRD分析

图2显示了C0、C1、C2和C3样品的XRD图谱，以及σ相和α-Cr相的标准JCPDS卡片（图2a）。图2b展示了38–53°衍射角范围的放大视图（由图2a中的蓝色虚线框标示），其中虚线标记了α-Cr相的衍射峰位置。所有样品的基体均为FCC结构。与σ相（JCPDS 090050）和α-Cr相（JCPDS 060694）的标准JCPDS卡片进行比较后发现

微观结构演变

铸态条件下，基体中主要沉淀物为α-Cr相；经过预时效处理后，σ相成为基体中的主要沉淀物。α-Cr相和σ相都是含Cr多主元素合金中常见的次要相，它们的沉淀行为差异将在下文分别讨论。

结论

为了提高(FeNi)₅₈Cr₃₈Mo(AlV)₃ MPEAs的热加工性能，选择预时效处理作为调节沉淀物类型、大小和分布的有效策略。主要结论如下：

(1)

α-Cr相具有简单的晶体结构和较低的结晶动力学障碍，在凝固过程中容易沉淀。Cr在FCC基体中的溶解度降低促进了其晶内 nucleation，过饱和Cr的释放引发了成分变化

CRediT作者贡献声明

甘张华：概念构思、方法论、写作——初稿。王晓晓：研究、方法论、写作——初稿。吴传东：资金筹集、项目管理、写作——审阅与编辑。徐琪：研究、方法论。黄卫明：研究、软件应用。沈帅：研究、方法论。肖丹：研究、方法论。周丽霞：研究、方法论。刘静：概念构思、监督、写作——审阅与编辑。

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

本工作得到了中国湖北省自然科学基金（编号：2024AFB554、2022BEC025）、广东省基础与应用基础研究基金（编号：2023B1515120100）以及国家自然科学基金（编号：51904213）的支持。

我们感谢武汉科技大学分析测试中心的李媛媛博士在TEM分析方面提供的帮助。