添加铝的CoCrNiNb多相共晶高熵合金：强度与塑性的协同组合

《Materials Science for Energy Technologies》：CoCrNiNb multiphase eutectic high-entropy alloys with Al addition: a synergistic combination of strength and plasticity

非等原子Al_xCoCrNiNb高熵合金的显微组织与压缩力学性能研究。通过真空熔炼制备不同Al含量合金，分析表明3% Al时合金实现最佳强塑性匹配（屈服强度1200 MPa，断裂应变21.87%），其强化机制源于B2相与纳米L1-2相的协同作用。过量Al导致脆性Laves相增多，性能下降。

　　本研究聚焦于一种新型多主元高熵合金——Al_xCoCrNiNb的制备与性能优化。这类合金因其独特的多元素组成而展现出卓越的机械性能，被认为是未来结构材料的重要候选之一。通过真空电弧熔炼的方法，研究人员成功制备了一系列非等原子比的Al_xCoCrNiNb多相共晶高熵合金，并系统地分析了Al含量对合金微观结构及压缩力学性能的影响。研究结果表明，随着Al含量的增加，合金的晶粒尺寸显著细化，并在共晶界面促进了B2（NiAl）金属间化合物的形成，同时在面心立方（FCC）基体中出现了纳米级的L1₂相。这些有序相的协同强化作用显著提升了合金的整体力学性能。

特别值得注意的是，当Al含量为3 at.%时，合金表现出优异的综合性能。其压缩屈服强度达到了1200.0 MPa，极限压缩强度为2200.4 MPa，断裂应变高达21.87%。与不含Al的CoCrNiNb基合金相比，该合金的屈服强度提升了23.7%，同时仍保持了超过20%的塑性。这种出色的强度-塑性协同效应使其在结构应用领域展现出广阔前景。研究表明，主要的强化机制是析出强化，这归因于B2和纳米级L1₂相的共同作用。然而，当Al含量过高时，B2相和脆性Laves相的体积分数也随之增加，这在一定程度上降低了合金的强度和塑性。

高熵合金（HEAs）作为近年来材料科学领域的重要创新，其多主元设计使得通过成分和微观结构调控来优化机械性能成为可能。这种独特的设计不仅使HEAs能够在复杂的工作环境中保持结构完整性，还使其在科学研究和工程应用中备受关注。与传统的单相HEAs相比，HEAs的多相结构赋予其更复杂的力学行为，同时也带来了更大的挑战。例如，CoCrNi基中熵合金虽然在常温下表现出优异的塑性，但由于其单一的FCC结构，导致了较低的屈服强度。虽然常规的热处理和冷加工可以一定程度上提高其强度，但往往伴随着塑性的显著下降，这使得实现理想的强度-塑性平衡变得困难。

为了克服这一局限，研究者们致力于优化CoCrNi基HEAs的机械性能。其中，Ramkumar等人通过调整价电子浓度（VEC）设计了一种铸态的CoCrNi基共晶高熵合金（EHEA），成功实现了力学性能的平衡。该合金在常温下的抗拉强度为959.3 MPa，断裂伸长率为33.8%。这种平衡有效地解决了传统单相HEAs中的强度-塑性矛盾。类似的，Wu等人在CrFe₂Ni₂Ti₀.₂Si_x多主元合金中发现，Si的添加促使了G相（Ni₁₆Ti₆Si₇）的析出，显著提高了合金的强度和硬度，同时保留了较高的塑性。这一现象主要归因于析出强化和晶界强化机制的协同作用。

此外，Wu等人在CoCrFeNi₂Ti_x高熵合金中也观察到类似现象。Ti的添加促使了FCC+η-Ni₃Ti+σ多相异质结构的形成，通过异质变形诱导（HDI）强化、位错强化和析出强化的协同作用，使得Ti0.8合金的屈服强度达到了1177 MPa，同时保持了24.4%的压缩应变。这表明，通过元素的合理选择和组合，可以显著提升合金的力学性能。

在进一步提升CoCrNi基合金的性能方面，Nb的引入被认为是一个有效的策略。Nb具有相对较低的VEC和较大的原子半径，其加入会引发严重的原子尺寸不匹配，从而促进FCC和Laves相组成的双相共晶结构的形成。例如，Zhang等人开发了一种CoCrFeNiNb_0.45 EHEA，其压缩屈服强度达到了1115 MPa，远高于其他许多EHEAs。然而，该合金的塑性仅限于0.2%，严重限制了其实际应用价值。Jiang等人研究了FCC+Laves共晶系统中强度-塑性权衡的来源，认为Laves相的固有脆性和界面处的显著晶格不匹配是导致塑性受限的主要原因。尽管FCC基体可以通过孪晶和剪切带机制实现塑性变形，但Laves相由于其复杂的晶体结构，会阻碍位错运动，从而防止在外部载荷作用下的有效应力松弛。因此，FCC与Laves相之间的力学不兼容性常常导致应力集中和早期脆性断裂。

为了解决这一问题，本研究引入了微量的Al元素，以细化共晶微观结构并优化相组成。Al的加入不仅有助于晶粒细化，还能改变合金的电子浓度，从而影响其电子结构和原子间相互作用。这些变化促使了L1₂和B2等有序相的形成。其中，L1₂相与FCC基体具有良好的晶格一致性，能够通过分散强化显著提升合金的强度，同时保留较高的塑性。例如，Zheng等人在CoCrFeNi基HEA中发现，纳米级L1₂析出物将压缩屈服强度提高了三倍，同时保持了14%的断裂伸长率。此外，B2相作为一种具有高硬度的体心立方（BCC）结构，当其含量受控时，能够进一步提高合金的压缩屈服强度和高温稳定性。Wang等人在Fe₃₀Cr₁₅V₁₅Ni₂₀Al₂₀ EHEA中通过固溶和时效处理，观察到了B2（NiAl）和L2₁（Fe₂CrV）纳米颗粒的多阶段析出。这种多尺度结构通过析出强化、Lomer-Cottrell锁和界面处的晶格失配位错的协同作用，使合金的压缩强度达到了3.05 GPa，应变为28%，同时表现出优异的耐腐蚀性能。Shukla等人则指出，在Al_0.3CoCrFeNi合金中引入B2相，使压缩屈服强度从401 MPa提升至702 MPa，同时塑性并未显著下降。

尽管Al通常被认为会降低塑性，因为它倾向于促进脆性B2相的形成，但其显著的固溶强化效应和对微观结构演化的潜力不容忽视。因此，本研究并非简单地“添加Al以提高塑性”，而是系统地探讨了微量Al添加对CoCrNiNb系统微观结构（特别是相组成、形态和分布）以及变形机制的复杂影响。研究的目的是为通过定制成分设计实现高熵合金中强度-塑性协同效应的精确调控提供理论依据。这一研究涉及开发一种具有多尺度多相强化结构的复杂合金，其中Nb被引入到CoCrNi基体中，以促进FCC+Laves共晶结构的形成。同时，微量的Al被用于诱导L1₂和B2相的析出。B2相的形成不仅提高了合金的强度，还增强了其断裂韧性，使其能够与FCC基体协同变形。B2相的析出促进了晶粒细化和相分布的优化，从而缓解了界面处的应力不兼容性，并减少了局部应力集中。此外，B2相颗粒的析出通过晶粒细化和析出机制进一步提升了合金的强度，使其在强度和韧性方面实现了优异的平衡。

L1₂相则表现出较高的强度和良好的塑性，能够有效阻碍位错运动，从而显著增强材料的性能。这一策略旨在提升合金的强度，同时不牺牲其塑性。该方法可能为航空航天、能源和工程制造领域的先进结构材料提供有价值的见解和应用前景。研究采用真空电弧熔炼的方法制备了Al_xCoCrNiNb EHEAs，并系统地研究了Al含量对合金微观结构演化和机械性能的影响，同时深入分析了相应的强化机制。

从整体来看，本研究不仅揭示了Al含量对CoCrNiNb EHEAs微观结构和力学性能的系统影响，还探讨了这些变化背后的物理机制。通过合理调控Al含量，研究人员成功实现了合金强度和塑性的协同优化，为高熵合金的设计和应用提供了新的思路。研究结果表明，微量Al的添加可以在不显著降低塑性的前提下，有效提升合金的强度，从而克服传统单相HEAs中的强度-塑性矛盾。这种策略在材料科学领域具有重要意义，尤其是在开发高性能结构材料方面。通过深入理解Al在CoCrNiNb EHEAs中的作用机制，研究者们可以进一步优化合金的性能，使其在更广泛的工程应用中发挥重要作用。