通过异质微观结构和L12纳米沉淀相，在基于CoCrNi的中等熵合金中实现出色的强度-韧性平衡

《Materials Science and Engineering: A》：Achieving an outstanding strength-ductility balance in a CoCrNi-based medium-entropy alloy via heterogeneous microstructure and L12 nanoprecipitates

　　

王宇|徐志刚|沈强|王传斌

中国武汉工业大学光超合金国家重点实验室，武汉，430070

摘要

开发兼具高强度和良好延展性的金属结构材料仍然是一个重大挑战，尤其是对于单相面心立方（FCC）合金而言。异质结构设计为克服这一限制提供了一种有前景的策略。在这项工作中，通过冷轧后进行高温短时退火，在单相FCC Co₁₈Cr₂₇Ni₄₅Al₈Mo₂中熵合金中设计了一种独特的异质结构，旨在实现优异的强度-延展性平衡。所得微观结构特征是在非再结晶（NRX）区域形成密集的L1₂沉淀物，而再结晶（RX）区域几乎无沉淀物。在变形过程中，NRX区域优先被激活，通过位错活动和L1₂颗粒与FCC基体之间的协调变形来适应应变。这种异质结构带来了出色的强度-延展性平衡，屈服强度为956 ± 50 MPa，抗拉强度为1213 ± 70 MPa，伸长率为18.2% ± 1.3%，展示了通过类似热机械处理途径制备的高/中熵合金之间的良好强度-延展性平衡。增强的机械性能源于多个异质界面（NRX/RX、NRX/L1₂和L1₂/RX）之间的协同效应，这些效应激活了多种强化机制。进一步的微观结构调控可以优化每种机制的贡献。这项研究为通过异质结构工程在单相FCC合金中实现主导的强度-延展性平衡提供了一种新的范例。

引言

在现代工程中，开发兼具高强度和适当延展性的金属结构材料仍然是一个关键挑战[1]，[2]。传统的单一主元素合金通常表现出严重的强度-延展性权衡，即强度的提高不可避免地伴随着塑性的显著损失[3]。在这种背景下，高/中熵合金（HEAs/MEAs）作为一种有前景的替代品出现，它们利用多主元素设计和四种核心效应[4]，[5]实现了卓越的机械性能，包括高强度、良好的延展性、抗疲劳性和耐磨性[6]，[7]，[8]，[9]。这些特性使得HEAs/MEAs在航空航天和先进制造领域具有吸引力。然而，单相面心立方（FCC）HEAs/MEAs虽然具有优异的延展性和断裂韧性，但通常表现出相对较低的抗拉强度（UTS）和屈服强度（YS）[10]，[11]，[12]。正如我们之前的工作[13]所示，这种内在的强度限制严重限制了它们的承载应用。因此，在不显著牺牲延展性的情况下实现吉帕级别的强度仍然是单相FCC HEAs/MEAs的一个关键目标。

为了解决这一挑战，异质结构设计作为一种有前景的策略应运而生[14]，[15]，[16]，利用异质变形诱导（HDI）机制同时实现强化和应变硬化[15]，[17]。与均匀或细晶材料不同，异质微观结构整合了具有不同机械性能的区域，从而实现了强度和延展性的平衡[18]，[19]，[20]。最近的研究表明，将软相或粗晶与硬相、细晶或非再结晶（NRX）区域结合可以通过协调变形有效平衡这些性能[21]。然而，实现这种平衡往往需要牺牲强度或延展性[12]，[22]。例如，含有再结晶（RX）和NRX区域的合金通常由于其恢复和再结晶作用而表现出比轧制态更低的强度[23]，[24]。此外，NRX区域的有限变形能力降低了延展性，与完全再结晶的合金相比[23]，[25]。这些限制突显了需要先进的合金设计，以战略性地整合多种强化机制来优化强度-延展性平衡。

异质结构可以通过热机械处理从均匀的粗晶材料中制备，通常根据微观结构配置进行分类，如层状[26]、双相[27]和梯度结构[28]。在层状设计中，机械性质不同的层通过界面耦合，其中位错-界面相互作用对应变硬化起着关键作用[26]。双相结构具有特定拓扑排列的软相和硬相[27]。软相适应塑性变形，而硬相承受大部分载荷，它们的协同作用使得合金同时具有高强度和显著的延展性[29]。梯度结构在空间方向上表现出成分、晶粒尺寸或晶体取向的连续变化，促进了明显的应变梯度和增强的加工硬化[28]。通过利用不同区域之间的机械和物理不匹配，这些异质结构在变形过程中诱导了强烈的域间耦合，从而缓解了传统的强度-延展性权衡。尽管如此，潜在的变形和强化机制仍需进一步阐明。

在这项工作中，通过冷轧后进行高温短时退火，在单相FCC Co₁₈Cr₂₇Ni₄₅Al₈Mo₂中熵合金中设计了一种具有空间选择性L1₂沉淀物的异质结构。在910 °C下退火10分钟后，L1₂纳米颗粒在NRX区域优先形成，而在RX区域的沉淀被大大抑制。这种独特的微观结构设计实现了优异的强度-延展性平衡，抗拉强度为1213 ± 70 MPa，屈服强度为956 ± 50 MPa，伸长率为18.2% ± 1.3%。这种具有区域特异性L1₂沉淀物的异质结构的刻意创建是本研究的一个关键创新。此外，使用透射电子显微镜（TEM）系统地表征了不同应变水平下的微观结构演变，阐明了变形机制，并为高性能异质结构材料的设计提供了直接证据。这项工作不仅展示了一种通过调整L1₂纳米沉淀物的空间分布来增强单相FCC合金强度-延展性平衡的新方法，还为高性能异质结构材料的设计提供了宝贵的理论见解。

章节片段

材料与方法

Co₁₈Cr₂₇Ni₄₅Al₈Mo₂中熵合金（按重量百分比计，名义成分）的锭材，尺寸约为70 × 40 × 10 mm³，是在高纯度氩气氛围下使用纯度≥99.9%的金属颗粒通过真空电弧熔炼制备的（称为AC合金）。Co₁₈Cr₂₇Ni₄₅Al₈Mo₂中熵合金的成分选择是基于微观结构导向的合金设计策略，而不是成本优化。在我们之前的工作中，已经详细讨论了合金设计的原则[13]。为了

通过高温短时退火获得的异质结构

图2展示了Co₁₈Cr₂₇Ni₄₅Al₈Mo₂中熵合金在不同处理步骤后的微观结构。图像质量图（图2a-d）显示了NRX区域中低角度晶界（LAGBs）的密度。逆极图（IPF）图（图2e-h）和晶粒尺寸分布（补充图S2i–l）显示了不同条件下的晶粒尺寸和微观结构均匀性的明显差异。CR940合金显示出完全再结晶的微观结构，晶粒随机取向（图2

异质结构的形成

CR940合金具有完全再结晶的微观结构，而CR900、CR910和CR920合金则具有包含NRX和RX区域的异质结构（图2e-f）。所发展的异质结构主要受冷轧引入的异质变形储存能量与短时退火期间再结晶、沉淀和溶解过程之间的竞争所控制。冷轧后，明显的空间

结论

总之，本研究构建了一种具有独特L1₂沉淀物分布的异质结构，在Co₁₈Cr₂₇Ni₄₅Al₈Mo₂中熵合金中实现了出色的强度-延展性平衡，通过NRX区域的优先变形实现了这一目标。通过结合冷轧和短期高温退火，获得了含有NRX区域和超细再结晶晶粒的单相FCC基体。在NRX区域形成了高密度的L1₂纳米颗粒，而

CRediT作者贡献声明

沈强：撰写 – 审稿与编辑，资源提供。徐志刚：撰写 – 原稿撰写，监督，资源提供，资金获取，概念化。王宇：撰写 – 原稿撰写，方法论，概念化。王传斌：撰写 – 审稿与编辑，资源提供，资金获取

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致谢

本工作得到了国家自然科学基金（52474393, 52572113）的支持。