通过引入位错和改善晶体织构，在Cr2AlC材料中实现了优异的压缩塑性

《Materials Science and Engineering: A》：Achieving superior compressive plasticity in Cr2AlC by introducing dislocations and texture

　　

张耀华|吕耀扎|吕永奇|刘涛|范景莲

中南大学粉末冶金国家重点实验室，中国长沙，410083

摘要

MAX相具有一种独特的纳米层状结构，结合了陶瓷般的硬度和金属的延展性，使其成为结构应用的理想候选材料。然而，其在室温下的固有脆性限制了其实际应用。在这项工作中，通过两步法合成了含有位错和基面纹理的Cr₂AlC。合成的Cr₂AlC表现出显著的塑性各向异性，其压缩强度分别为c轴方向841 MPa和∥c轴方向723 MPa，相应的断裂应变分别为2.04%和2.79%。这种增强效果来源于现有位错的协同作用，促进了位错的增殖和扭结带的形成，以及晶体结构的纹理，后者在平行于c轴的载荷下激活了扭结带。这种两步法提供了一种可控微观结构和增强机械性能的MAX相的制备途径。

引言

MAX相是一种具有六方晶体结构的三元材料，化学式为M_n+1AX_n [1], [2], [3], [4]。MAX相兼具陶瓷和金属的双重特性，它具有陶瓷的高熔点、弹性模量、高温强度和耐腐蚀性，同时具备金属的电导率、热导率和可加工性 [5], [6], [7]。近年来，围绕MAX相的合成方法和力学性能进行了大量研究，却发现其在室温下的压缩强度较低，塑性变形能力较差，这限制了其进一步的发展和广泛应用 [8], [9], [10]。

由于c/a比例较高，MAX相在室温变形过程中缺乏所需的五个独立的滑移系，导致位错迁移能力较差，宏观塑性较低 [11], [12], [13], [14]。根据先前的研究，MAX相的压缩强度较低，断裂应变通常小于1%，表现出脆性断裂的特征 [15], [16], [17], [18], [19]。从微观变形机制的角度来看，MAX相的塑性主要来源于其基面位错的滑移及随后的扭结带形成 [20], [21], [22], [23]。然而，在MAX相颗粒中，启动位错滑移需要较高的临界剪切应力，且位错容易在晶界或层间聚集，从而导致微裂纹的过早萌生和扩展，最终导致宏观脆性断裂。因此，如何有效激活和调控MAX相中的位错行为并延缓裂纹起始成为提高其室温塑性的核心科学问题。传统上，通过固溶M和/或A元素 [24], [25] 以及第二相强化 [26] 来提高MAX相的室温力学性能。然而，通过固溶或引入第二相所实现的改进往往伴随着结构不稳定性和第二相的聚集。

近年来，“缺陷工程”和“纹理工程”为调控材料力学性能提供了新的思路 [27], [28], [29], [30]。一方面，引入可控的晶体缺陷（如位错）可以作为有效的内部应力源，在后续加载过程中促进位错的增殖、移动和相互作用，从而激发额外的塑性变形能力。这一策略在多种金属和合金中已取得成功 [31], [32]。另一方面，对于具有明显各向异性的层状MAX相，通过控制工艺将基面（0001）定向排列在特定方向上，可以巧妙地利用不同晶体学方向上的力学性能差异 [29], [33], [34]。以往的研究试图通过促进纹理形成来提升力学性能 [35]。然而，对于各向异性的层状MAX相，仅依赖纹理控制不足以激活足够的位错源并缓解应力局部化问题。因此，需要能够协同调控缺陷和纹理的策略，以及理解这些微观结构特征如何共同影响室温下的力学行为。

基于上述分析，本研究提出了一种两步合成方法，同时实现Cr₂AlC中的缺陷工程和纹理工程。具体来说，首先进行真空烧结，然后进行粉碎以在粉末颗粒中引入并保留高密度的缺陷；随后，在快速火花等离子烧结（SPS）致密化过程中，在单轴载荷下对粉末进行压力辅助对齐，从而获得具有基面纹理的致密样品。这种耦合策略结合了位错引入和纹理工程，激活了塑性变形机制，同时抑制了裂纹的过早产生。所提出的两步法为改善MAX相的室温脆性提供了可扩展的加工途径。对Cr₂AlC的系统性微观结构表征和机械测试进一步阐明了缺陷和纹理在促进塑性方面的协同作用，为室温增韧提供了理论依据和实用指导。

章节摘录

材料

Cr₂AlC采用两步合成法制备，第一步包括对原料粉末进行球磨和真空烧结，第二步包括粉碎和SPS处理。铬（纯度99.0%）、铝（纯度99.6%）和石墨（纯度99.9%）粉末按照2:1.2:1的摩尔比在200 rpm下球磨4小时。然后将粉末混合物在真空烧结炉（RZKM-120-16）中于1400°C下烧结2小时。通过粉碎获得了粗粒度的Cr₂AlC粉末

烧结态Cr₂AlC的微观结构

图2a展示了未加工Cr₂AlC粉末的形态，可以看出粉末形状不规则，粒径范围为10 μm至30 μm。高倍率下观察的Cr₂AlC粉末显示出高度堆叠的层状结构（图2b）。图2c-f展示了未加工Cr₂AlC粉末的IPF图、相分布图、GND密度图及其相应的GND密度分布图。图2c中的彩色区域对应于晶体学

结论

通过两步法成功制备出了具有良好塑性的Cr₂AlC陶瓷。该工艺在Cr₂AlC中引入了基面纹理和高密度的位错，从而产生了明显的取向依赖性压缩行为。在压缩作用下，c轴方向的强度为841 MPa，断裂应变为2.04%；∥c轴方向的强度为723 MPa，断裂应变为2.79%。

强度-塑性协同性的提高主要归因于

CRediT作者贡献声明

吕永奇：方法学、形式分析。张耀华：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，验证，方法学，研究，形式分析。吕耀扎：撰写 – 审稿与编辑，验证，研究。刘涛：研究，形式分析。范景莲：监督，资源管理，项目执行，概念构思

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

数据可用性

利益冲突声明

本工作得到了中国国家重点研发计划[项目编号2019YFE03120001]的支持。作者声明他们没有竞争性利益。

致谢

中国国家重点研发计划 [项目编号2019YFE03120001]的支持。