时效调控BCC+L12双相析出与异质晶粒协同强塑化Ni49Fe20Cr17Al10V4中熵合金研究

本研究针对非等原子比、无钴中熵合金强塑性难以兼顾的难题，通过冷轧与时效协同工艺，在Ni49Fe20Cr17Al10V4中熵合金中构建了异质晶粒结构与BCC+L12双相析出体系，实现了1550?MPa高屈服强度与12%均匀延伸率的优异组合，为高性能中熵合金设计提供了新策略。

　　

在材料科学领域，开发兼具高强度与良好塑性的金属结构材料一直是研究者追求的目标。中熵合金（Medium-Entropy Alloy, MEA）作为高熵合金体系的一个重要分支，因其独特的成分设计和优异的性能潜力而受到广泛关注。然而，对于非等原子比且不含昂贵钴元素的中熵合金，如何通过有效的微观结构调控实现强度与塑性的平衡，仍是一个巨大的挑战。传统的强化手段，如固溶强化、细晶强化等，往往在提升强度的同时导致塑性显著下降。因此，探索新的强化机制与微观结构设计思路，对于推动中熵合金的实际应用至关重要。

为了应对这一挑战，彭桑、宁宁梁、刘毅、崔鹏、张赞、宋俊鹏、吴贤顺、牛坤宁、李永胜等研究人员在《Materials》上发表了一项研究，他们设计并制备了一种Ni₄₉Fe₂₀Cr₁₇Al₁₀V₄中熵合金，并创新性地采用了协调冷轧与后续时效处理的工艺，成功在该合金中引入了异质晶粒结构（即细小晶粒与粗大晶粒交替分布的层状结构）以及多种析出相，包括微米尺度的体心立方（Body-Centered Cubic, BCC）相和纳米尺度的L1₂有序相。这种多层次的异质结构设计旨在同时激活多种强化机制，从而打破强度-塑性的此消彼长关系。

本研究主要采用了协调冷轧与多级时效处理作为关键的材料制备与加工技术。研究样本为通过冶炼制备的Ni₄₉Fe₂₀Cr₁₇Al₁₀V₄中熵合金铸锭。关键技术路径包括：首先对合金进行冷轧变形，引入高密度位错并为后续析出提供形核位点；随后进行不同制度的时效处理，包括单级时效（700°C）和双级时效（950°C + 700°C），以调控BCC相和L1₂-Ni₃(Al,V)相的析出行为与分布。通过显微结构表征（如扫描电子显微镜、透射电子显微镜）和力学性能测试（如室温拉伸试验）来评估不同处理状态下合金的微观结构与性能关系，并定量分析各种强化机制的贡献。

研究结果

1. 微观结构表征

研究人员通过详细的显微结构分析发现，经过700°C单级时效处理（A700）的合金，其冷轧引入的高密度位错为原子扩散提供了更多通道，从而促使纳米L1₂-Ni₃(Al,V)相均匀析出。而对于经过950°C + 700°C双级时效处理的合金，主要在细晶区域于700°C时效时析出纳米L1₂相。合金最终形成了包含异质层状细/粗晶结构、微米BCC相和纳米L1₂相的多相异质结构。

2. 力学性能

力学性能测试结果表明，经过A700处理的MEA表现出优异的力学性能组合，其屈服强度高达1550 MPa，同时保持了12%的均匀伸长率。这种强塑性的协同提升归因于多种强化机制的共同作用。

3. 强化机制分析

研究人员对强度来源进行了定量分析。异质层状细/粗晶结构通过异质变形诱导（Heterogeneous Deformation Induced, HDI）强化机制，贡献了超过596 MPa的强度增量。而微米BCC相和纳米L1₂析出相共同贡献了536.8 MPa的屈服强度。塑性则主要通过位错剪切纳米L1₂相以及绕过（Orowan绕过机制）微米BCC相来实现，这两种位错行为有助于维持持续的加工硬化能力。

结论与讨论

本研究成功通过冷轧与低温时效相结合的工艺，在非等原子比、无钴的Ni₄₉Fe₂₀Cr₁₇Al₁₀V₄中熵合金中实现了多层次的异质结构（异质晶粒+双相析出）。这种结构设计巧妙地协同了析出强化、细晶强化和HDI强化等多种机制，从而同时大幅提升了合金的强度和塑性。研究表明，A700处理工艺是实现纳米L1₂相均匀析出的关键，而双级时效则有助于在特定区域调控析出行为。定量分析清晰地揭示了异质结构HDI强化与析出强化的显著贡献。该研究提出的通过引入多重异质强化来协同提升强度和塑性的策略，为非等原子比Co-free中熵合金的性能优化提供了新的、有效的设计思路，对开发新一代高性能结构材料具有重要意义。