调控晶界NiAl析出相提升多晶Fe-Ni-Co-Al基合金超弹性的机制研究

为解决Fe-Ni-Co-Al基合金中NiAl析出相阻碍马氏体逆转变导致超弹性(SE)下降的问题，研究人员通过冷轧(CT+RCR)与直接旋轧(RCR)工艺调控低能晶界(LEGBs)比例与织构取向，发现RCR样本因高比例LEGBs(43.6%)和{203}〈100〉强织构抑制NiAl晶界偏聚，实现6%的SE，为高性能低成本超弹性合金设计提供新思路。

　　

在建筑减震和智能材料领域，铁基超弹性合金因成本低廉、加工简单备受关注，但其性能提升长期受制于晶界析出相的"顽疾"。2010年，Tanaka团队开发的Fe-28Ni-17Co-11.5Al-2.5Ta-0.05B合金虽实现13.5%的可恢复应变，但后续研究发现，合金中不可或缺的Ni₃
Al纳米析出相(γ′-Ni₃
Al)在强化基体的同时，总会"拖家带口"地引入晶界NiAl相——这些与基体非共格的B2结构相如同"路障"，阻碍马氏体逆转变，导致超弹性效应(SE)骤降。更棘手的是，传统工艺难以单独调控这两种析出相，使得合金性能稳定性成为"卡脖子"难题。

针对这一挑战，来自哈尔滨工业大学的研究团队在《Materials Characterization》发表最新成果。他们创新性地采用两种轧制工艺——热轧后冷轧+旋轧(CT+RCR)与直接旋轧(RCR)，通过调控低能晶界(LEGBs，包含小角晶界和重位点阵晶界)比例与织构特征，成功实现了NiAl相的精准抑制。研究发现，RCR工艺产生的{203}〈100〉强织构与43.6%的高LEGBs比例形成"双保险"，使NiAl晶界偏聚减少，最终获得6%的SE，较CT+RCR工艺(0.6% SE)提升10倍。这项研究为破解"析出相困局"提供了新范式。

关键技术方法
研究采用真空电弧熔炼制备Fe-28Ni-20Co-11.5Al-2.5Ta-0.05B合金，通过1523K均匀化处理消除成分偏析。分别采用CT+RCR（热轧+冷轧+旋轧）和RCR（热轧+直接旋轧）两种塑性变形工艺，结合1273K固溶处理与973K时效处理调控组织。利用EBSD分析织构和晶界特征，TEM观察析出相分布，并通过循环加载-卸载测试评估超弹性性能。

研究结果

Texture orientation and grain size after aging of the CT+RCR and RCR
EBSD分析显示，CT+RCR样本形成RD∥〈100〉织构，而RCR样本呈现更强的{203}〈100〉取向。统计表明RCR的LEGBs比例达43.6%（CT+RCR仅24.8%），且晶粒尺寸更均匀(317±13 μm vs 358±23 μm)。这种差异为后续NiAl相分布调控奠定结构基础。

Discussions
研究表明，LEGBs能有效抑制Ni、Al、Ta等元素的快速扩散，而高角度晶界(HAGBs)则成为NiAl相的"温床"。在CT+RCR样本中，粗大NiAl相如同"铆钉"固定马氏体，阻碍其逆转变；而RCR样本因强织构取向与高LEGBs比例的协同作用，使应力诱导马氏体能在卸载时"自由呼吸"，实现完全逆转变。分子动力学模拟进一步证实，{203}〈100〉织构更利于弹性应变能积累，为马氏体逆转变提供驱动力。

Conclusions

1. 晶界类型决定元素偏聚行为：HAGBs促进NiAl相形成，而LEGBs抑制其析出；
2. RCR工艺通过{203}〈100〉强织构与高LEGBs比例(43.6%)的"双轮驱动"，使NiAl相尺寸较CT+RCR减小60%；
3. 织构强度与LEGBs比例共同构成"性能调控杠杆"：当两者协同优化时，合金可释放6%的SE，较传统工艺提升一个数量级。

这项研究不仅揭示了晶界工程对析出相行为的调控机制，更建立了"工艺-织构-晶界-性能"的定量关系模型，为开发新一代低成本超弹性合金提供了理论基石。特别值得注意的是，RCR工艺的简易性和可扩展性，使其具备工业化应用潜力，有望推动铁基智能材料在建筑减震领域的规模化应用。