含铌高熵合金中L1-2相的生长动力学：基于Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov（JMAK）模型进行分析

《Materials Today Communications》：Growth kinetics of L1 2 phase in a Nb-containing high entropy alloy: A Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK) analysis

L1?相沉淀动力学研究：非等原子Al?.?Cr?.?FeNi?.?Nb?.?高熵合金经真空熔炼和均匀化后，在700-800℃直接时效中通过JMAK模型分析硬度演化，揭示Nb扩散激活能158.55±25.16 kJ/mol及低Avrami指数（n≈0.43-0.45），表明溶质耗尽早、扩散迟缓。

　　本研究聚焦于含铌（Nb）的高熵合金（High Entropy Alloys, HEAs）中主导的次生相，特别是L1?有序沉淀物的生长行为。这些合金因其在高温应用中的潜力而受到关注，因此对其微观结构演变及沉淀动力学的深入理解具有重要意义。研究采用了一种非等原子比的Al?.?Cr?.?FeNi?.?Nb?.?高熵合金，通过真空电弧熔炼法合成，并进行均匀化处理，随后在700 °C、750 °C和800 °C条件下进行直接时效处理。为了评估L1?沉淀物的生长动力学，研究者利用基于硬度的Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov（JMAK）模型进行分析。

微观结构分析显示，该合金的基体主要为面心立方（FCC）结构，其中包含纳米尺度的L1?有序沉淀物，以及在晶界处存在的少量Laves相和B?相。研究发现，700 °C下的峰值时效时间为8小时，750 °C为4小时，800 °C为3小时。这些时效时间的差异反映了不同温度下沉淀物生长速率的不同。通过JMAK模型分析得出的Avrami指数（n）较低，约为0.43–0.45，同时其激活能为158.55 ± 25.16 kJ/mol，这表明Nb的溶质耗尽过程较为迅速，沉淀物生长过程中存在软碰撞效应（soft impingement effects）以及扩散行为较为迟缓的特性。

在传统材料科学中，高熵合金因其多主元结构而表现出独特的性能，例如高硬度、良好的高温稳定性和优异的强度。这些性能主要来源于次生相的析出，如L1?、B?和Laves相等。特别是在镍基超合金中，γ’和γ’’相的析出显著提高了材料的高温强度和抗蠕变性能。类似地，高熵合金中的析出强化机制同样至关重要，其性能提升依赖于次生相的形成和分布。因此，研究析出相的生长行为，不仅有助于理解高熵合金的强化机制，也为优化其性能提供了理论依据。

本研究中，含Nb的高熵合金因其独特的性能而受到关注。Nb作为一种难熔元素，具有较高的熔点、良好的强度和较大的原子尺寸，使其成为高熵合金中理想的添加元素之一。然而，Nb的添加量需要精确控制，以避免形成脆性相，如Laves相，从而降低合金的延展性。研究发现，当Nb的摩尔比低于0.2（约6.6 wt.%）时，合金的微观结构主要由FCC基体和少量的Laves相组成，同时在时效过程中，L1?相成为主要的析出相，其体积分数达到约10%，而B?相和C14 Laves相则出现在晶界处。这种析出行为不仅影响合金的机械性能，还可能对其在高温环境下的稳定性产生重要影响。

为了进一步理解L1?相的析出动力学，研究者采用了多种半解析模型，其中JMAK模型因其在等温相变动力学研究中的广泛应用而被选为分析工具。JMAK模型最初由Johnson、Mehl和Avrami等人在20世纪30年代提出，用于描述材料在等温条件下相变的速率。该模型通过将相变过程分解为多个阶段，结合体积分数和时间的关系，能够有效预测析出相的生长行为。在本研究中，JMAK模型被应用于硬度变化数据的分析，以提取析出相的生长参数和激活能。这种方法相较于传统的显微分析技术，如扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）和三维断层扫描等，具有更高的简便性和可操作性，同时也能提供有价值的定量信息。

传统上，析出动力学的研究需要大量的样品制备和多次微观结构表征，这不仅耗费时间和资源，还可能因人为因素导致结果的不一致。因此，寻找一种能够简化研究流程的方法成为当前材料科学研究的重要方向。JMAK模型的应用为这一目标提供了可行的解决方案。通过分析硬度随时间的变化曲线，研究者能够快速估算析出相的体积分数和生长速率，从而揭示其在高温条件下的行为特征。此外，JMAK模型还能够结合实验数据，预测在不同温度和时效时间下的相变行为，为材料设计和性能优化提供理论支持。

在本研究中，通过JMAK模型对硬度数据的分析，研究者发现该合金在不同温度下的析出行为存在显著差异。700 °C下的峰值时效时间较长，而800 °C下的峰值时效时间较短，这表明高温下析出相的生长速率加快。然而，低Avrami指数的出现表明，析出过程可能受到多种因素的影响，例如溶质耗尽、软碰撞效应以及扩散受限等。这些因素共同作用，导致析出相的生长行为与传统的等温相变模型有所不同。因此，研究者认为，JMAK模型在本研究中的应用不仅揭示了L1?相的生长动力学，还为理解Nb在高熵合金中的作用提供了新的视角。

研究结果表明，Nb的添加对高熵合金的析出行为和机械性能具有显著影响。在较低的Nb含量下，L1?相成为主要的析出相，而B?相和Laves相则出现在晶界处。这种析出行为不仅影响合金的强度和硬度，还可能对其在高温环境下的稳定性产生影响。例如，L1?相的形成可以提高合金的高温强度，而B?相和Laves相的分布则可能影响其抗蠕变性能和抗氧化能力。因此，通过调控Nb的含量和时效条件，可以进一步优化高熵合金的性能，使其在高温应用中表现出更优异的特性。

此外，研究还指出，Nb含量超过0.2摩尔比时，容易形成脆性Laves相，从而降低合金的延展性。这一发现强调了在设计高熵合金时，必须对Nb的添加量进行精确控制，以避免不利的相变行为。同时，研究者认为，通过进一步研究析出相的形成机制和动力学过程，可以开发出更高效的材料设计策略，从而在不牺牲延展性的情况下，提高合金的高温性能。这不仅有助于解决当前高熵合金在高温应用中面临的挑战，还可能为新型高性能材料的开发提供理论依据。

研究者还提到，JMAK模型虽然在分析析出动力学方面具有优势，但其在某些复杂机制上的描述仍存在局限。例如，该模型未能充分考虑软碰撞效应、位点饱和效应以及溶质拖曳效应等，这些效应在扩散控制的相变过程中可能起到关键作用。因此，未来的研究可以探索更先进的模型，以更准确地描述析出相的生长行为。同时，结合实验数据和计算方法，如CALPHAD模型，可以进一步完善对析出相形成机制的理解，为高熵合金的设计和性能优化提供更全面的理论支持。

本研究的另一个重要贡献在于，通过结合实验观察和半解析模型，为纳米尺度L1?相的形成提供了新的研究思路。传统的微观结构分析方法虽然能够提供详细的相变信息，但其操作复杂、耗时较长，而JMAK模型的应用则为快速评估析出相的生长行为提供了便捷的途径。这种方法不仅适用于当前的含Nb高熵合金，还可能拓展到其他类型的高熵合金，为材料科学领域提供更广泛的理论工具和实验方法。

总之，本研究通过分析含Nb的高熵合金在不同温度下的析出行为，揭示了L1?相的生长动力学特性，并探讨了其对合金性能的影响。研究结果不仅为理解高熵合金的强化机制提供了新的视角，还为未来的材料设计和性能优化奠定了基础。通过进一步研究析出相的形成机制和动力学过程，可以开发出更高效的材料设计策略，使高熵合金在高温应用中表现出更优异的性能。同时，JMAK模型的应用也为材料科学研究提供了一种简便而有效的工具，有助于推动高熵合金在更多领域的应用和发展。