通过纳米尺度沉淀作用，协同增强和硬化具有谐波结构（FeCoNi）86Al7Ti7高熵合金的性能

《Materials Science and Engineering: A》：Synergistic Strengthening and Toughening of a Harmonic-Structured (FeCoNi)86Al7Ti7 High-Entropy Alloy via Nanoscale Precipitation

　　

沈春祺|杨宏|马攀|李海超|Konda Gokuldoss Prashanth|Piter Gargarella|王刚|贾彦东

上海工程技术大学材料科学与工程学院，中国上海

摘要

在开发用于先进结构应用的高熵合金（HEAs）过程中，实现优异的强度-延展性协同效应仍然是一个关键挑战。在这项工作中，通过以1:1的质量比混合气雾化粗细预合金粉末，并通过火花等离子烧结（SPS）进行致密化，成功制备了一种具有谐波（异质核壳）结构的块状（FeCoNi）₈₆Al₇Ti₇ HEA。烧结后的合金表现出1402.64 MPa的极限抗拉强度（UTS）和10.59%的伸长率。为了进一步优化机械性能，在780 °C下进行了不同时间的系统老化处理，并全面研究了其对微观结构演变和机械性能的影响。老化促进了FCC基体中连贯的L1₂和非连贯的L2₁纳米相的均匀沉淀。通过这些纳米沉淀物与谐波结构之间的协同作用，老化32小时的合金实现了高强度和增强延展性的显著结合，其UTS约为1430 MPa，伸长率约为22%，与烧结态相比，延展性提高了两倍以上，且强度没有损失。详细阐明了其背后的机制，包括异质变形诱导（HDI）强化、沉淀强化以及由异质微观结构引起的背应力硬化。本研究表明，粉末结构设计（谐波结构）和沉淀工程的策略性耦合为克服HEAs中的传统强度-延展性权衡提供了一条有前景的途径。

引言

高熵合金（HEAs）基于多主元素合金设计的创新概念，具有四个定义性特征：热力学中的高熵效应、动力学中的缓慢扩散效应、结构中的严重晶格畸变效应以及性能中的“混合”效应[1]。这些特性共同赋予了HEAs卓越的机械强度[2]、[3]、[4]、抗疲劳性[5]、[6]、耐磨性[7]、[8]、耐腐蚀性[9]和抗辐射性[11]、[12]。因此，HEAs在核能、航空航天、汽车制造、电子和生物医学工程等领域具有重大应用前景。然而，要充分利用这一潜力，必须在高强度和足够的延展性之间取得最佳平衡，这是确保在苛刻工程环境中结构可靠性和长期性能的基本前提。

在理解高熵合金（HEAs）的强化和增韧机制方面已经取得了显著进展。诸如成分设计[13]、[14]、复合开发[15]、[16]、微观结构工程（例如双相或多相结构）[17]、[18]以及先进加工技术[19]、[20]等策略，使得屈服强度和断裂伸长率得到了协同提升。然而，包括晶粒细化[21]和固溶强化[22]在内的传统方法仍然受到内在强度-延展性权衡的限制。这一限制源于由位错滑移主导的均匀塑性变形与高缺陷密度引起的应力集中之间的竞争。解决这一挑战被广泛认为是HEAs未来发展的关键方向。受自然界启发的异质结构设计概念提供了一种有效的方法，可以同时提高强度和延展性[23]、[24]、[25]。当与可控沉淀工程结合时，这种方法为克服传统的强度-延展性权衡提供了一个多功能且强大的框架。

老化处理能够精确控制L1₂和L2₁等有序纳米沉淀物的大小、分布和体积分数，这是实现强度和延展性协同提升的关键途径[14]、[26]。例如，Ma等人[27]报告称，在873 K下老化2小时的CoCrFeMnNi/NiCoFeAlTi HEA复合材料达到了731 MPa的抗拉强度和16%的伸长率。Xie等人[28]证明，粉末床熔融后经过2小时的老化处理，在室温下产生了1130 MPa的屈服强度、1492 MPa的极限抗拉强度和18%的伸长率。Niu等人[29]通过老化在Al_0.5CoCrFeNi双相HEA中获得了L1₂/B2双纳米沉淀物，使屈服强度从326 MPa提高到了847 MPa。同时，Qi等人[30]利用高密度、细小的非连贯L2₁沉淀物在FeCoNiCr基HEA中同时实现了1136 MPa的屈服强度和25.3%的伸长率。这些研究共同强调了老化过程中沉淀控制对优化机械性能的关键作用：L1₂相通常促进平衡的强度-延展性组合，而L2₁相则提供更明显的强化效果[31]。因此，系统研究老化参数及其对沉淀行为的影响对于开发具有优异综合性能的HEAs至关重要。

将HEAs与异质结构相结合进一步扩展了实现卓越机械性能的潜力。传统的粉末冶金（PM）技术，如机械研磨（MM），可以生产出谐波结构材料；然而，这些方法通常需要高温和长时间保温，这会促进表面氧化并降低最终产品的纯度和性能[32]。因此，制造过程变得繁琐，实验周期延长，总体成本增加。为了克服这些限制，开发改进的烧结方法已成为主要焦点，其中火花等离子烧结（SPS）作为一种特别有前景的技术脱颖而出。

SPS是一种先进的PM技术，通过等离子体激活和粉末颗粒之间的瞬时放电产生的焦耳热实现快速高效的致密化[33]。与传统致密化方法相比，SPS具有几个显著优势，包括更低的烧结温度、更高的加热速率、更短的处理时间以及抑制的晶粒生长[34]、[35]、[36]、[37]。通过在相对较低的温度下实现高致密化，SPS显著减少了晶粒粗化和氧化现象。它广泛应用于金属、陶瓷和复合材料的制备，特别适合制造高性能和功能性材料。

在这项研究中，通过调节粗细粉末的比例，使用SPS制备了具有谐波结构的（FeCoNi）₈₆Al₇Ti₇高熵合金。尽管已经认识到异质结构设计和沉淀强化在提高机械性能方面的潜力，但谐波结构与高熵合金中纳米尺度沉淀物的协同耦合仍然很大程度上未被探索。因此，这项研究的动机是通过将谐波结构工程与老化诱导的沉淀强化相结合来填补这一研究空白。随后的老化处理实现了对纳米沉淀物的精确控制，从而实现了强度和延展性的协同提升。进行了全面的研究，以建立微观结构与机械性能之间的映射关系，并深入分析了背后的变形机制。这项工作为通过异质结构设计实现高熵合金中的强度-延展性协同效应提供了理论基础和实验证据，有效打破了长期存在的强度-延展性权衡瓶颈。此外，它为开发具有新型微观结构配置的高性能合金提供了一条有前景的途径。

章节摘录

材料制备

本研究使用了两种粒度的气雾化（FeCoNi）₈₆Al₇Ti₇ HEA粉末（由宁波中原先进材料技术有限公司提供）作为原材料，其化学成分详见表1。目标是通过SPS制备一种谐波结构的HEA。为此，设计了一种粉末系统，使用1:1的质量比（细粉（FP，0–30 μm）与粗粉（CP，150–300 μm），名义成分列在表1中。

（FeCoNi）₈₆Al₇Ti₇ HEA

SPS HEA的微观结构

图1展示了混合粉末和块状SPS致密化FCNAT HEA的XRD图谱。两种材料都表现出面心立方（FCC）晶体结构以及L2₁型Heusler相。与混合粉末相比，块状样品的衍射峰显示出明显的宽化。这种现象可以归因于两个主要因素：首先，SPS过程中的短停留时间促进了再结晶和细小晶粒的形成，导致

结论

在这项研究中，采用了一种老化诱导的纳米沉淀策略来调整通过SPS制备的谐波结构FCNAT HEA的强度-延展性协同效应。系统研究了780 °C下老化时间对微观结构演变和机械性能的影响，重点关注微观结构特征与潜在强化-增韧机制之间的相关性。主要结论如下：

(1)

制备和基线

CRediT作者贡献声明

王刚：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理。沈春祺：撰写 – 原稿撰写、可视化、研究、数据管理。马攀：撰写 – 原稿撰写、可视化、研究、数据管理。李海超：撰写 – 审稿与编辑、监督、研究。杨宏：可视化、方法学、研究、数据管理。Piter Gargarella：可视化、方法学、研究。Prashanth Konda Gokuldoss：撰写 – 审稿与

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明

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利益冲突声明

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致谢

国家自然科学基金（编号：U25B0113）；以及上海探索者计划（基础研究资助）（编号：25TS1401900）的支持。在准备这项工作时，作者仅使用Microsoft Copilot进行语言校正和语法优化。作者根据需要审阅和编辑了内容，并对最终手稿负全责。