L1 2–Ni 3(Al, Ti) 沉积物在 (CoCrNi)94Al3Ti3 中等熵合金中的粗化行为及强化机制

《Journal of Alloys and Compounds》：Coarsening Behavior and Strengthening Mechanisms of L1 2 – Ni 3(Al, Ti) Precipitates in a (CoCrNi) 94Al 3Ti 3 Medium-Entropy Alloy

高熵合金（HEA）和中等熵合金（MEA）中L1?沉淀强化对机械性能的影响及时效处理优化研究。通过系统分析（CoCrNi）94Al3Ti3 MEA在900℃不同时效时间下的沉淀行为与力学性能，发现1小时时效获得最佳强韧性平衡（UTS 1102 MPa，YS 632 MPa，EL 45.7%），而48小时时效因L1?沉淀粗化导致强度下降。研究揭示了沉淀强化机制（位错剪切与绕过机制）随时效时间的变化规律，为优化L1?沉淀强化合金的时效工艺提供理论依据。

　　

Sang Yun Han|Chae Woo Ryu

韩国首尔弘益大学材料科学与工程系，邮编04066

摘要

L1₂沉淀强化的高熵合金（HEAs）和中熵合金（MEAs）表现出优异的机械性能。全面了解L1₂沉淀行为对于优化这些合金的机械性能至关重要。在本研究中，系统地研究了（CoCrNi）₉₄Al₃Ti₃ MEA在不同时效处理下的沉淀行为及其相应的机械性能。与传统的L1₂强化MEAs相比，900°C下的时效处理显著改善了材料的强度-延展性平衡。特别是，在900°C下时效1小时的样品表现出1102 MPa的极限抗拉强度（UTS）、632 MPa的屈服强度（YS）和45.7%的延伸率（EL）。然而，长时间时效（48小时）会导致L1₂沉淀粗化，从而降低强度。对沉淀强化贡献的定量分析表明，强度的变化受到不同的沉淀强化机制的调控：位错剪切和位错绕过机制。这些发现为优化L1₂沉淀强化HEAs和MEAs的时效条件提供了宝贵的见解，有助于下一代结构材料的设计。

引言

高熵合金（HEAs），也称为多主元素合金（MPEAs），是一类具有优异机械和热性能的新型金属材料[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。特别是面心立方（FCC）HEAs表现出卓越的延展性和低温机械性能，使其成为先进结构应用的理想候选材料[6]。然而，它们固有的低强度限制了其作为结构材料的应用[7]、[8]。为了克服这一限制，人们探索了多种强化机制，包括固溶强化、应变硬化、晶粒细化和沉淀强化。其中，沉淀强化被认为是提高强度最有效的方法[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。

已经研究了多种类型的沉淀物，如氮化物[15]、B2相[16]、[17]、[18]、$\sigma$相[19]、[20]、[21]和L1₂相[23]、[24]、[25]、[26]、[27]。特别是，由相干L1₂沉淀强化的HEAs表现出强度和延展性的协同效应[28]。例如，He等人[9]开发了一种L1₂强化的HEA，在室温下达到了1100 MPa的极限抗拉强度（UTS）、645 MPa的屈服强度（YS）和39%的延展率。同样，Yang等人[29]报道了一种基于FeCoCrNi的L1₂强化的HEA，其UTS超过1000 MPa。

优化沉淀物的形态、尺寸和体积分数对于调控L1₂沉淀强化HEAs的微观结构和机械性能至关重要。这些特性受到时效处理条件和合金成分的强烈影响[29]、[30]、[31]。在Ni基超合金[32]、[33]、[34]和HEAs[35]、[36]中，时效处理在控制沉淀物演变和相应的机械性能方面起着核心作用[32]、[33]、[34]、[35]、[36]。因此，精确控制时效条件对于充分发挥L1₂沉淀的强化潜力至关重要。

在本研究中，选择了基于CoCrNi的中熵合金作为基体成分，因为其在各种HEA/MEA体系中具有优异的机械性能[6]、[37]、[38]。向CoCrNi基MEA中添加Al和Ti元素促进了相干${\gamma }^{\prime }$相（L1₂沉淀）的形成[27]、[29]。本研究系统地研究了时效处理对（CoCrNi）₉₄Al₃Ti₃ MEA沉淀行为的影响，并利用扫描电子显微镜（SEM）、同步辐射X射线衍射、原子探针断层扫描（APT）和拉伸测试量化了L1₂沉淀粗化对机械性能的影响。

实验部分

通过在高纯度氩气环境中电弧熔炼高纯度元素（纯度>99.99%）的混合物，制备了名义组成为（CoCrNi）₉₄Al₃Ti₃的合金。为确保化学均匀性，母合金至少重熔了五次，然后倒入尺寸为6×150 mm³的铜模具中。铸态合金在1200°C下保温2小时进行均质化，随后通过多道次轧制减小了80%的厚度。轧制后的样品进行了再结晶。

时效处理后的机械性能

图2显示了不同时效热处理下合金的机械性能。在1120°C下保温3分钟再结晶的（CoCrNi）₉₄Al₃Ti₃ MEA具有约59%的延展性，而其UTS和YS分别为845 MPa和341 MPa。900°C下的时效显著提高了UTS和YS，强度在时效4小时时达到峰值，分别为1133 MPa（UTS）和652 MPa（YS）（见图2a）。

讨论

沉淀物通过两种主要机制强化固溶体基体：$?$位错剪切和位错绕过机制（Orowan机制），这取决于它们与移动位错的相互作用方式[56]。通常，当沉淀物是相干且较小时，剪切机制占主导；而当沉淀物生长超过临界尺寸或与基体不相干时，位错绕过机制（Orowan机制）开始起作用[46]、[58]、[59]、[60]

结论

本研究系统地研究了L1₂沉淀的粗化行为及其对（CoCrNi）₉₄Al₃Ti₃ MEA机械性能的影响。主要研究结果总结如下：

1.

在900°C下时效时，球形L1₂沉淀从大约28.4 nm（1小时时）逐渐生长到约100 nm（48小时时），在整个时效过程中始终与FCC基体保持相干界面。

2.

屈服强度和极限抗拉强度

未引用的参考文献

[48]

CRediT作者贡献声明

Chae Woo Ryu：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，数据分析。Sang Yun Han：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，研究，数据分析，数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们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。

致谢

本工作得到了弘益大学新教师研究基金的支持。部分研究在DESY汉堡光源PETRA III的P21.1光束线上进行。