相选择性再结晶协同提升Fe10Co20Cr10Ni40Al18W2共晶高熵合金的强-塑-耐磨性

《RARE METALS》：Phase-selective recrystallization synergistically promotes strength–ductility–wear resistance in Fe10Co20Cr10Ni40Al18W2 eutectic high-entropy alloy

为解决FCC-B2共晶高熵合金(EHEA)普遍存在的强度-塑性-耐磨性权衡难题，研究人员通过分级热轧工艺在Fe10Co20Cr10Ni40Al18W2合金中实现了相选择性再结晶(PSR)。该工艺成功消除了铸态合金的层状结构，将屈服强度、极限抗拉强度和延伸率分别提升至1030 MPa、1662 MPa和15.4%，同时使摩擦系数降低12.5%，磨损截面面积减少39.8%。该研究为通过调控微观结构协同提升合金综合性能提供了新策略。

　　

在材料科学领域，共晶高熵合金(EHEA)因其优异的流动性、良好的铸造性能以及独特的双相结构，被视为极具潜力的新型结构材料。其中，由面心立方(FCC)相和有序体心立方(B2)相组成的FCC-B2共晶高熵合金，更是因其优异的耐腐蚀性、磁学性能和力学性能而备受关注。然而，与传统合金类似，这类合金也面临着一个棘手的“魔咒”——强度、塑性和耐磨性之间的权衡关系。通常，通过热机械处理提升合金强度的同时，往往会牺牲其塑性，反之亦然。这种“鱼与熊掌不可兼得”的困境，严重制约了共晶高熵合金在高端工程领域的进一步应用。

为了打破这一僵局，研究人员将目光投向了“相选择性再结晶(PSR)”这一前沿策略。该策略旨在通过精确控制热机械加工工艺，在双相合金中实现其中一相的再结晶，而另一相则保持变形或回复状态，从而构建出一种独特的异质结构。这种结构有望通过优化应力分布、阻碍裂纹扩展和增强应变硬化能力，实现强度与塑性的协同提升。同时，热机械加工过程中引入的变形也有助于改善材料的耐磨性。

基于此，由Teng-Fei Kuai、Ying-Dong Xie、He-Juan Chen、Zheng-Wu Yang和Guo-Xiang Shen组成的研究团队，在Fe₁₀Co₂₀Cr₁₀Ni₄₀Al₁₈W₂共晶高熵合金中，通过分级热轧工艺成功实现了相选择性再结晶，不仅突破了强度与塑性的权衡，还显著提升了合金的耐磨性能。该研究成果以“Phase-selective recrystallization synergistically promotes strength-ductility-wear resistance in Fe₁₀Co₂₀Cr₁₀Ni₄₀Al₁₈W₂eutectic high-entropy alloy”为题，发表于《RARE METALS》期刊。

关键实验方法

本研究采用真空电弧熔炼法制备了名义成分为Fe₁₀Co₂₀Cr₁₀Ni₄₀Al₁₈W₂(at%)的共晶高熵合金铸锭。通过分级热轧工艺对铸态合金进行处理：首先在800°C下进行30%的热轧，获得部分再结晶合金(PR-EHEA)；随后在1200°C下对PR-EHEA进行20%的热轧，最终获得相选择性再结晶合金(PSR-EHEA)。利用X射线衍射(XRD)和电子背散射衍射(EBSD)对合金的相组成、晶粒尺寸、取向关系及位错密度进行表征。通过室温拉伸实验和往复式摩擦磨损实验，系统评估了合金的力学性能和耐磨性能。结合扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)对断口形貌和磨损表面进行分析，揭示了其变形和磨损机制。

研究结果

1. 微观结构表征

XRD和EBSD分析证实，铸态合金(AC-EHEA)由FCC相和B2相组成，呈现出典型的共晶枝晶结构，其中枝晶干为排列整齐的层状结构。经过800°C热轧后，PR-EHEA的层状结构被消除，转变为沿轧制方向排列的椭球状结构。而经过1200°C热轧的PSR-EHEA则呈现出独特的微观结构：FCC相表现为近乎等轴的再结晶晶粒，而B2相则保持椭球状结构，表明成功实现了FCC相的选择性再结晶。此外，PSR处理还促进了元素在相间的进一步扩散，导致FCC相中Co、Cr、Fe、W元素含量增加，而B2相中Al、Ni元素含量增加，两相间的Kurdjumov-Sachs (K-S)取向关系比例从铸态的98.1%显著降低至30.9%。

2. 力学性能与强化机制

拉伸测试结果表明，PSR-EHEA实现了强度与塑性的协同提升。与铸态合金相比，其屈服强度从662 MPa提升至1030 MPa，极限抗拉强度从1179 MPa提升至1662 MPa，同时延伸率从12.6%提升至15.4%。通过混合定则和Hall-Petch公式对强化机制进行定量分析发现，位错强化是PSR-EHEA最主要的强化机制，其贡献约为178.41 MPa，其次是晶界强化(161.53 MPa)和晶格摩擦应力(10.57 MPa)。

3. 变形机制

断口形貌分析揭示了PSR处理对变形机制的深刻影响。铸态合金的断裂表现为沿层状相界面的解理断裂，裂纹优先在塑性较差的B2相中萌生并沿45°方向扩展，导致早期失效。而PSR-EHEA的断口呈现出等轴状形貌，表明断裂模式已从相界面失效转变为晶界失效。PSR处理消除了层状结构，使得B2相在三维空间中被孤立，从而有效抑制了裂纹在相界面的扩展，使得合金能够承受更高的应变直至晶界失效，最终实现了优异的强塑性匹配。

4. 摩擦磨损性能

摩擦磨损测试结果表明，PSR-EHEA的耐磨性显著优于铸态合金。其摩擦系数从0.64降低至0.56，降低了12.5%；磨损截面面积从3115.9 μm²减少至1876.1 μm²，减少了39.8%。磨损表面分析显示，铸态合金的磨损机制以粘着磨损为主，表面存在大量的剥落坑和絮状磨屑；而PSR-EHEA的磨损机制转变为以磨粒磨损为主，表面仅观察到少量犁沟。根据Archard磨损模型，PSR处理通过提高合金硬度，有效抑制了材料在摩擦过程中的剥落，从而提升了耐磨性。

结论与讨论

本研究通过分级热轧工艺，在Fe₁₀Co₂₀Cr₁₀Ni₄₀Al₁₈W₂共晶高熵合金中成功实现了相选择性再结晶(PSR)，协同提升了合金的强度、塑性和耐磨性。该工艺通过消除层状结构，将裂纹扩展的临界区域从相界面转移至晶界，从而有效抑制了裂纹扩展，实现了强塑性的协同提升。同时，热轧过程引入的变形和元素再分布提高了合金的硬度和表面氧化层的结合力，使得磨损机制从粘着磨损转变为磨粒磨损，显著改善了耐磨性能。该研究不仅为共晶高熵合金提供了一种实现综合性能协同提升的有效策略，也为理解双相合金的变形和磨损机制提供了新的视角。