通过添加Mo和AlTiMo元素进行合金化，克服CoNi基合金中的强度-延展性平衡问题

《Materials Science and Engineering: A》：Overcoming the strength-ductility trade-off in CoNi-based alloy via alloying of Mo and AlTiMo

本研究通过添加Mo和Al-Ti-Mo三元组元，协同固溶强化与晶界强化机制，优化了CoNi基合金的变形行为，实现强度提升116%（达411 MPa）和延展性保持（>70%），解决了传统合金强度与延展性矛盾问题。

　　

钱周|张艳|丁仁根|陈健|邱玉龙|卢帅丹|王龙

摘要

合金化是一种重要的策略，用于调节金属的机械性能和变形机制，以实现优异的强度-延展性协同效应。在这项研究中，我们结合了固溶强化和晶界强化，并通过调整变形机制来增强加工硬化效果，以克服CoNi基合金的强度-延展性 trade-off 问题。添加Mo或AlTiMo不仅显著提高了强度（具有明显的固溶强化和晶界强化效果），还显著增强了加工硬化能力。例如，在CoNi合金中添加7原子百分比的Mo后，屈服强度提高了116%，达到411 MPa，同时延展性没有损失。添加(Al+Ti)和Mo的组合使屈服强度提高了160%，达到约500 MPa，同时延展性超过70%。Mo和AlTiMo的合金化克服了与变形机制变化相关的强度-延展性 trade-off 问题。这些发现为未来开发具有优异延展性的含Mo/AlTiMo的CoNi基合金开辟了新的途径。

引言

Co基和CoNi基合金具有优异的高温性能，包括良好的抗蠕变性和抗氧化性，因此在涡轮发动机部件中具有潜在的应用价值1, 2, 3, 4。然而，单面心立方（FCC）结构的CoNi基合金的屈服强度对于实际应用来说还不够高。例如，CoNi合金在室温下的屈服强度约为200 MPa [5]。因此，人们通过各种强化机制（包括沉淀强化6, 7, 8、固溶强化9, 10和晶界强化[11]）来提高其屈服强度。对于沉淀强化，通常引入L1₂形成剂（如Ti、Al）以在CoNi基和Ni基合金中产生细小的L1₂(Ni,Co)₃(Al,Ti)（γ′）纳米沉淀物。此外，据报道Ti可以提高γ′的溶解度和CoNi合金的高温强度12, 13, 14。因此，对Al/Ti对γ′特性的影响（如形状、大小、体积分数和热稳定性等）进行了广泛的研究15, 16。尽管沉淀强化明显提高了强度，但它可能会大幅牺牲延展性[17]。相比之下，固溶强化和晶界强化也是在不显著损失延展性的情况下提高强度的有效方法18, 19。例如，(Al+Ta)掺杂的CoCrNi合金在室温下的屈服强度约为600 MPa，伸长率约为50% [18]。此外，Al和Ti的半径比Co和Ni大得多（Al的半径为1.43 ?，Ti为1.46 ?，Co为1.25 ?，Ni为1.24 ? [20]），这会在CoNi晶格中产生较大的失配体积。因此，预计添加(Al+Ti)会导致CoNi合金的固溶强化效果显著增强。然而，目前还缺乏关于添加(Al+Ti)所引起的固溶强化和晶界强化的研究。晶界强化源于晶界作为位错运动的障碍，这可以通过Hall–Petch关系来描述：$$其中$$是屈服强度，$$是阻碍位错运动的摩擦应力，$$是Hall–Petch系数，d是晶粒尺寸。Hall-Petch关系表明$$在晶界强化中起着关键作用。$$与晶粒或孪晶界抵抗滑移传递的临界强度有关。

此外，Mo是一种难熔元素，在固溶强化和提高金属的热稳定性方面起着重要作用。因此，Mo常用于钢材、Ni基和CoNi基超合金以及复杂的多成分合金中。最近，Jan等人研究了Mo含量对CoNi基合金机械性能的影响，发现添加8原子百分比Mo的合金（平均晶粒尺寸为2 μm）的屈服强度约为686 MPa，伸长率约为41.5% [22]。最近，Huang等人发现添加Mo+W显著提高了CoNi基合金的强度，平均晶粒尺寸为1.5 μm的合金屈服强度约为1050 MPa，伸长率约为30% [23]。同时，这两项研究还表明这些合金具有较高的Hall-Petch系数，即较强的晶界强化效果。另一方面，有报道称，在CoCrFeNi和CoNi基合金中添加Mo可以降低它们的堆垛错能（SFE），从而改变变形机制，进一步提高延展性11, 24。

尽管已经有一些关于CoNi基合金中Mo的固溶强化和晶界强化的研究，但缺乏对(Al+Ti)及其组合效应的研究。它们的组合效应可能会产生“协同效应”。本文旨在通过报道Mo掺杂、AlTi掺杂以及(Al+Ti)/Mo共掺杂的CoNi合金的机械性能来填补这一空白。同时，本文还将探讨Mo、AlTi和AlTiMo对CoNi合金变形机制的影响，进一步揭示其优异延展性的内在机制。

CoNi基合金的设计

本研究旨在评估合金化（例如Al+Ti、Mo）对CoNi基合金的晶界强化和机械性能的影响。因此，我们需要确保添加这些元素不会导致沉淀物的形成。Co-Ni二元相图显示，当Ni含量超过33原子百分比时，CoNi合金为单FCC相[25]，因此本研究选择了Co₆₀Ni₄₀合金。Jan等人报告称，在Co₅₀Ni₅₀合金中添加8原子百分比的Mo不会引起

退火合金的结构

图3展示了四种退火合金的XRD图谱，显示它们均为单相FCC结构。放大(111)峰后可以看出，合金化导致峰位向低角度移动（图3b），即合金化使FCC相的晶格参数变大。使用外推函数cos2θ/2·(1/sinθ +1/θ) [26]（其中θ是每个峰的布拉格角）来计算CoNi、Mo、AlTi、AlTiMo的FCC相的晶格参数

合金化对固溶强化和晶界强化的影响

固溶强化源于合金化引起的晶格畸变以及溶质-位错相互作用能量的局部波动51, 52。换句话说，固溶强化与合金化引起的晶格失配有关。在本研究中，与CoNi合金相比，添加(Al+Ti)、Mo和AlTiMo后引起的晶格失配分别为0.0048、0.0065和0.0103。这一顺序与固溶强化的顺序一致

结论

通过拉伸试验机和电子显微镜在室温下详细研究了合金化（例如Al+Ti、Mo、Al+Ti+Mo）对CoNi基合金的机械性能和变形机制的影响。从这项研究中可以得出以下结论：

(1)

合金化提高了CoNi合金的固溶强化效果，Mo的效果比Al+Ti更强（7原子百分比Mo时为86 MPa，而6原子百分比(Al+Ti)时为52 MPa）

CRediT作者贡献声明

丁仁根：监督、资源管理、方法论、研究设计、资金获取、概念构思。钱周：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、数据整理

未引用的参考文献

60..

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

数据可用性

数据可根据请求提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号52271112、U24A20106和U24A2034）、陕西省科学技术厅（编号2023KXJ-105、QCYRCXM-2022-303、2024CY2-GJHX-61）、陕西省先进材料实验室（编号2024ZY-JCYJ-04-11）、陕西省创新能力支持计划（编号2024RS-CXTD-61）以及志坚实验室（火箭 Force 工程大学）开放基金（编号2023-ZJSYS-KF01-05）的财政支持。