一项关于Cr含量对(CoFeNi)100-xCrx高熵合金微观结构和纳米硬度影响的研究，采用扩散偶方法进行

《Materials Science and Engineering: A》：A study on the effect of Cr content on the microstructure and nanohardness of (CoFeNi) 100- xCr x high entropy alloys by diffusion couple method

高熵合金成分-微观结构-力学性能关联性研究。采用扩散偶与纳米压痕结合的高通量方法，系统探究Cr含量对CoCrFeNi合金微观组织和力学性能的影响。结果表明，退火温度从800℃升至1200℃，扩散区（IDZ）扩展至500μm，相界移动距离（PBMD）达170μm，同时形成fcc+σ两相结构。Cr的添加通过显著晶格畸变和固溶强化机制，使IDZ区纳米硬度提升。基于CALPHAD计算揭示了相变动力学与成分调控机制，为多主元合金设计提供理论支撑和实践指导。

　　

尚根峰|李晓群|江月山

华东交通大学材料科学与工程学院，中国南昌330013

摘要

一种结合了扩散对和纳米压痕技术的高通量实验方法，为研究Cr含量对(CoFeNi)_100-xCr_x高熵合金(HEAs)的微观结构和微观力学性能的影响提供了高效途径。在本研究中，探讨了CoFeNi-(CoFeNi)₅₅Cr₄₅扩散对在800°C、1000°C和1200°C退火后的微观结构演变。1200°C时，扩散对的相组成为fcc+bcc两相；而在800°C和1000°C时，形成fcc+σ两相。随着退火温度的升高，扩散对样品界面的扩散区(IDZ)和相界移动距离(PBMD)增大，分别在1200°C时达到500 μm和170 μm。此外，IDZ区域的纳米硬度随Cr含量的增加而增加，这主要是由于Cr的添加导致了显著的晶格畸变效应。采用计算相图(CALPHAD)方法模拟了扩散对样品的相演变和相界移动过程，从而揭示了不同退火温度下扩散对样品的微观结构变化。这种高通量方法有助于合金设计，并为数据挖掘技术提供高质量的数据，以加速合金开发。

引言

多主元素高熵合金(HEAs)的概念自Yeh等人和Cantor等人于2004年提出以来，因其优异的力学性能而受到了广泛关注[1][2]。与传统合金不同，HEAs没有溶质-溶剂区分，并表现出四种核心效应：高构型熵、缓慢扩散、严重晶格畸变以及协同效应[3]。HEAs的多主元素特性大大扩展了成分的灵活性。通过合理的成分设计和热机械工艺控制，可以调控其微观结构和力学性能，从而突破传统合金的限制[4][5][6][7][8][9][10]。

在HEAs的组成元素中，3d过渡元素Co、Cr、Fe和Ni被频繁使用。通过修改CoCrFeNi合金中的添加元素，已广泛报道了强度的显著提升和优异的整体力学性能。通常，这些添加元素具有较大的原子半径，并倾向于促进强化相(L1₂、B2、bcc、σ等)的形成，例如Al、Ti、Nb、Ta、W、Zr等[11][12][13][14][15][16][17]。例如，随着Al含量的增加，CoCrFeNi合金会发生fcc到bcc的转变，硬度也随之提高[11]。在CoCrFeNiTi_x（x为摩尔比）合金中添加Ti可以促进更硬的次级相的析出，同时通过固溶强化和第二相强化显著提高合金的压缩强度[12]。此外，还研究了Al和Ti对CoCrFeNi(Al_0.3Ti_0.2)_x HEAs微观结构和强度的协同效应。添加Al和Ti时，会形成L1₂纳米颗粒并改善力学性能；但过量添加会导致B2相的形成，从而降低合金的延展性[17]。

尽管CoCrFeNiX（X表示添加元素）HEAs已被广泛研究，但关于CoCrFeNi HEAs的成分对其微观结构和力学性能影响的信息较少。最近，为了降低原材料成本并提高合金强度，研究人员增加了Fe_x(CoCrNi)_100-x（x为质量百分比，40-70）合金中的Fe含量，以促进合金从fcc结构向bcc结构的转变，从而提高拉伸强度[18]。相对而言，在Co、Cr、Fe和Ni中，Cr含量对CoCrFeNi合金的相组成和力学性能更为敏感。这是因为Cr的原子半径较大，能够更显著地发挥固溶强化作用，并更容易促进强化相（如bcc和σ）的形成[19][20]。

高通量研究方法可以通过制备具有成分梯度的样品来加速合金成分-微观结构-性能实验数据的获取，有助于材料发现和性能筛选。高通量合金合成技术包括但不限于扩散对[21][22][23]、复合薄膜法[24][25]、增材制造梯度[26][27]。其中，扩散对方法操作简单，不需要高精度仪器。扩散对可以由不同成分的块状合金制成，在其界面处通过热处理形成金属键。我们之前的工作使用了这种扩散对方法制备了Al_1.1CoCrFeNi/CoCrFeNi样品，在界面形成了B2(A2)-A2(B2)-fcc夹层微观结构[23]。结合纳米压痕测试，迅速建立了成分、相组成与力学性能之间的关系。

在本研究中，系统地研究了Cr含量对CoCrFeNi HEAs微观结构和性能的影响。此外，为了高效获取更多的成分-结构-性能数据，分别采用了扩散对方法和纳米压痕表征技术制备样品并测试硬度。通过实验观察和计算相图(CALPHAD)计算，分析了不同退火温度下扩散对样品的微观结构演变。这种高通量实验方法和理论计算为合金设计提供了更有效的指导。

实验部分

实验

在氩气氛围下，通过电弧熔炼原始元素混合物制备了等原子量的CoFeNi（记为Cr0）和(CoFeNi)₅₅Cr₄₅合金（记为Cr45，以质量百分比表示）。Co、Cr、Fe和Ni的纯度均高于99.9%。每个锭子熔化5次，每次约120秒，每次熔化之间进行倒置以实现化学均匀性。这些锭子在充满高纯度氩气的石英管中密封，在1200°C下保温72小时以达到均匀化

结果

图1(a)显示了均匀化的Cr0和Cr45合金（分别称为H-Cr0和H-Cr45）以及在不同温度下退火后的扩散对样品的XRD图谱。可以看出，H-Cr0和H-Cr45合金的衍射峰分别属于fcc和fcc+bcc结构。相应的化学成分见表1，其中H-Cr45合金中的bcc相含有更高的Cr含量。

不同温度下退火过程中的微观结构演变

根据上述实验观察，扩散对样品在800°C和1000°C时发生从fcc+bcc到fcc+σ的相变，这一变化仅发生在Cr45侧。本研究从热力学角度分析了退火过程中的相变。根据界面处的成分分布（图4(a1-c1)），可以看出扩散区内的Co、Fe和Ni含量始终相等。因此，本研究

结论

本研究采用结合了扩散对和纳米压痕的高通量实验方法，快速研究了Cr含量对(CoFeNi)_100-xCr_x合金微观结构和力学性能的影响。基于实验表征和CALPHAD计算，分析了扩散对样品的微观结构演变、相与力学性能之间的关系，以及化学成分与力学性能之间的关系

作者贡献声明

尚根峰：撰写——初稿、方法论、概念构思。李晓群：实验研究、数据整理。江月山：撰写——审稿与编辑、实验研究

未引用参考文献

[1]。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。