通过纳米层状L12析出相在无钴NiFeCrAlTi中熵合金中实现强度和延展性的协同提升

《Materials Science and Engineering: A》：Synergistic improvement of strength and ductility by nano-lamellar L1 2 precipitates in Co-free NiFeCrAlTi medium-entropy alloy

高/中熵合金通过600°C直接时效形成纳米层状L1?析出物，实现1518 MPa屈服强度与14.1%均匀延伸率的协同效应。高强度源于高密度FCC/L1?纳米层状界面阻碍位错，相较于900°C近球状析出物体系，A600合金通过热机械加工优化析出形态，使位错剪切通过层状结构，有效降低界面应力集中，提升综合力学性能。

　　高/中熵合金（H/MEAs）因其独特的微观结构和广泛的性能可调性，已成为材料科学领域的重要研究方向。这类合金在宽泛的成分范围内表现出优异的综合性能，使得其在高温、高强度和耐腐蚀等极端环境下具有显著优势。其中，L1?析出相的出现，被认为是提升H/MEAs力学性能的关键因素之一。L1?析出相因其良好的高温稳定性，在合金中起到强化作用，从而显著提高其强度和延展性。然而，由于钴元素在L1?析出相中起着重要作用，其高昂的价格限制了H/MEAs在实际应用中的成本效益。因此，开发不含钴的H/MEAs成为当前研究的一个重要方向。

在本研究中，我们提出了一种新型的无钴Ni??Fe??Cr??Al?Ti?中熵合金，其独特的纳米层状Ni?（Al,Ti）-L1?析出相通过冷轧（CR）后在600°C直接时效（A600）处理获得。该合金在室温下表现出高达1518 MPa的屈服强度和14.1%的均匀延伸率，实现了强度与延展性的良好平衡。这一结果表明，无钴合金在通过特定的热机械处理后，仍然可以达到与含钴合金相当的力学性能，同时降低了材料成本。

H/MEAs中的析出相通常包括多种类型，如M??C?型碳化物、具有L1?结构的γ′相、具有D0??结构的γ″相、B2相以及一些硬质的σ和μ型金属间化合物。这些析出相在提升合金强度方面发挥着重要作用，但同时也可能对延展性产生负面影响。L1?析出相因其独特的晶体结构，能够有效阻碍位错滑移，从而提高合金的强度。然而，由于其较高的界面能，可能会导致应力集中，进而影响合金的延展性。

在H/MEAs中，析出相的形态、尺寸、体积分数和分布受到合金元素、加工方法和热处理工艺的显著影响。因此，析出相的形态与合金力学性能之间的关系是当前研究的重要课题。近年来，研究发现，在含钴的H/MEAs中，层状L1?析出相能够显著提升合金的强度和延展性。例如，Fan等人[19]研究了一种Co?.?CrNi?.?Al?.?Ti?.?V?.? MEA，其屈服强度为1750 MPa，延展性为23.9%，这种优异的性能归因于异质晶粒结构和双形态（球形和层状）L1?析出相。他们进一步确认，层状析出相的强化效果是球形析出相的1.75倍。在另一项研究中[20]，一种完全层状L1?析出相的(Ni?.?FeCoCr?.?)??.?Al?.?Ti?.? HEA合金，其屈服强度超过了2000 MPa，这比含有混合球形和层状L1?析出相的合金更高。这种超高强度源于位错运动被高密度层状界面所阻碍。

尽管层状L1?析出相在提升强度方面具有显著优势，但其与球形析出相在变形机制上的差异尚未完全阐明。研究发现，在含钴的H/MEAs中，层状析出相能够有效提升合金的强度，但同时也会导致延展性的下降。这种现象可能是由于层状析出相在变形过程中对位错的阻碍作用更为显著，从而限制了塑性变形的能力。然而，无钴的H/MEAs中并未发现类似的层状析出相，这使得其在强度和延展性之间难以达到平衡。为了维持所需的FCC固溶体，研究尝试将钴元素替换为镍元素，但这一替换过程可能会影响析出相的形成，进而导致合金强度的下降和延展性的降低。

在本研究中，我们通过优化合金成分和热机械处理工艺，成功制备了一种无钴Ni??Fe??Cr??Al?Ti? MEA合金，其含有独特的纳米层状L1?析出相。通过冷轧后在600°C直接时效处理，该合金在室温下表现出显著的强度和延展性。具体而言，其屈服强度达到了1518 MPa，均匀延伸率为20.1%，实现了强度与延展性的良好平衡。这一结果表明，通过合理的热机械处理，无钴合金同样可以达到优异的力学性能。

为了进一步研究不同时效条件下析出相的形态和体积分数，我们对A600和A900处理的合金进行了透射电镜（TEM）分析。分析结果表明，两种处理条件下的合金均含有L1?析出相，但其形态和体积分数存在显著差异。通过模拟相图和研究原始铸态样品及短时间时效样品的形态，我们发现这些差异主要源于不同的热处理工艺对析出相形成的影响。A600处理的合金由于时效温度较低，析出相的形成更为均匀，且其体积分数较高，而A900处理的合金由于时效温度较高，析出相的形成更为集中，体积分数较低。

析出相的形态和体积分数对合金的力学性能具有重要影响。纳米层状析出相能够有效阻碍位错滑移，从而提高合金的强度。然而，由于其较高的界面能，可能会导致应力集中，进而影响延展性。通过合理的热机械处理，可以优化析出相的形态和分布，从而实现强度与延展性的协同提升。此外，纳米层状析出相的形成还可能影响合金的塑性变形能力，使其在保持高强度的同时，也能维持一定的延展性。

在本研究中，我们通过冷轧和600°C直接时效处理，成功获得了具有纳米层状L1?析出相的无钴合金。这一处理过程不仅优化了析出相的形态和分布，还提高了合金的强度和延展性。通过对比不同处理条件下的合金性能，我们发现A600处理的合金在强度和延展性方面均优于A900处理的合金。这表明，通过合理的时效温度选择，可以有效提升无钴合金的力学性能。

此外，析出相的形成和分布还受到合金元素的影响。在本研究中，我们通过调整Ni、Fe、Cr、Al和Ti的配比，成功获得了具有纳米层状L1?析出相的合金。这种独特的析出相形态不仅提高了合金的强度，还通过减少应力集中，提高了延展性。这一结果表明，通过合理的合金设计和热机械处理，可以实现无钴合金的强度与延展性的协同提升。

综上所述，本研究通过优化合金成分和热机械处理工艺，成功制备了一种无钴Ni??Fe??Cr??Al?Ti? MEA合金，其含有独特的纳米层状L1?析出相。通过冷轧和600°C直接时效处理，该合金在室温下表现出高达1518 MPa的屈服强度和20.1%的均匀延伸率，实现了强度与延展性的良好平衡。这一结果表明，无钴合金在通过合理的热机械处理后，仍然可以达到优异的力学性能，同时降低了材料成本。未来，进一步研究析出相的形成机制和变形行为，将有助于更深入地理解无钴合金的力学性能，并为其在工程应用中的推广提供理论支持。