Fe2.5Ni2.5CrAl多主元合金高温压缩变形机制的多尺度研究

针对Fe2.5Ni2.5CrAl多主元合金(MPEA)高温变形机制不明的问题，研究人员通过显微结构表征与分子动力学(MD)模拟相结合，揭示了温度依赖的位错滑移、动态再结晶(DRX)及孪晶-位错相互作用规律，为设计高性能高温合金提供了理论依据。

　　

随着航空航天、能源装备等领域对高温结构材料需求的日益增长，多主元合金(Multi-principal elements alloys, MPEAs)因其独特的多组元固溶效应和优异的力学性能成为研究热点。其中，FeNiCrAl基MPEAs展现出卓越的高温强度、抗氧化性和相稳定性，但对其变形机制尤其是温度依赖的微观行为仍缺乏系统认知。2019年，日本国立材料科学研究所(National Institute for Materials Science, NIMS)的Ling Qiao团队设计出无钴的Fe_2.5Ni_2.5CrAl MPEA，该合金具有FCC+BCC/B2双相结构，前期研究已证实其具备优异的高温塑性和应变硬化能力，然而其变形过程中晶体取向演变、缺陷动力学行为等关键科学问题尚未阐明。

为揭示这一科学谜题，研究人员采用实验表征与分子动力学(Molecular dynamics, MD)模拟相结合的多尺度研究方法。通过真空电弧熔炼制备合金样品，利用电子背散射衍射(EBSD)分析不同温度(200-800°C)压缩变形后的晶体取向；同时构建原子尺度模型，模拟300-1073K温度范围内位错运动、堆垛层错及孪晶演化过程。研究论文发表在材料科学领域权威期刊《Materials Science and Engineering: B》上。

主要技术方法

1. 材料制备：采用99.9%高纯原料通过真空电弧熔炼制备Fe_2.5Ni_2.5CrAl铸锭
2. 力学测试：使用AG-X Plus电子万能试验机进行200-800°C温度区间的压缩实验
3. 微观表征：SEM/EBSD联用分析变形后晶体学特征
4. 计算模拟：LAMMPS软件开展分子动力学模拟，采用EAM势函数描述原子相互作用

研究结果

1. 高温变形微观结构演变
   EBSD分析显示，随着温度升高，晶粒优选取向从200°C时的{001}转变为400°C的{111}。动态回复(Dynamic recovery, DRV)主导400°C变形过程，而600°C以上出现动态再结晶(Dynamic recrystallization, DRX)，导致织构强度降低和取向随机化。

2. 原子尺度变形机制
   MD模拟揭示温度对缺陷演化的三重影响：

• 300K时以全位错滑移为主
• 中温区(500-700K)出现大量Shockley不全位错和层错
• 高温(>900K)下孪晶-位错交互作用显著，孪晶界阻碍位错运动产生强化效应

1. 力学响应规律
   压缩应力-应变曲线呈现明显的温度敏感性：600°C时屈服强度较200°C下降约35%，但应变硬化率提高2倍，这与DRX导致的晶粒细化和孪晶增殖密切相关。

结论与意义
该研究首次系统阐明了Fe_2.5Ni_2.5CrAl MPEA高温压缩变形的多尺度机制：低温区({001}织构主导)→中温区(DRV+层错形成)→高温区(DRX+孪晶协同变形)的渐进演变规律。通过建立温度-微观结构-力学性能的定量关联，不仅为理解MPEAs的变形物理本质提供了新视角，更重要的是为设计具有特定高温性能的合金提供了理论指导——通过调控Cr/Al比和热处理工艺优化B2相分布，可进一步提高材料在600-800°C服务窗口的力学稳定性。这些发现对开发新一代航空发动机热端部件材料具有重要工程价值。