探究一种Co39.2Ni39.2Al19.6Ti2双相高熵合金的热成型性能及其强化机制

《Progress in Materials Science》：Exploring hot formability and strengthening mechanisms of a Co 39.2Ni 39.2Al 19.6Ti 2 dual-phase high entropy alloy

双相高熵合金动态再结晶行为与显微结构演变研究，确定1050℃/0.001s?1最优热加工参数，揭示FCC/B2相差异再结晶机制及晶粒细化-相界强化协同提升力学性能机理。

　　高熵合金（High Entropy Alloys, HEAs）是一种近年来受到广泛关注的新材料体系。它们通常由五种或更多种主要金属元素组成，每个元素的含量相对较低，一般在5%至35%之间。这种独特的成分设计赋予了高熵合金一系列优异的物理和机械性能，如高强度、高硬度、良好的耐腐蚀性和抗氧化能力等。由于其结构的复杂性和多样性，高熵合金在材料科学领域引起了广泛的研究兴趣。然而，传统的高熵合金往往呈现出单一相态，这在一定程度上限制了其综合性能的发挥。为了改善这一问题，研究者们开始探索双相高熵合金，通过结合硬质相和软质相，实现强度与延展性的良好平衡。

双相高熵合金因其具有硬质相（如体心立方BCC）和软质相（如面心立方FCC）的混合结构，被认为是一种解决传统高熵合金性能局限的有效途径。通常情况下，BCC相能够提供较高的强度，而FCC相则在一定程度上改善了材料的延展性。例如，Lu等人开发的AlCoCrFeNi?.?合金同时包含FCC和B2相，实现了强度与延展性的良好结合。该合金的屈服强度为546.4 MPa，抗拉强度为1046 MPa，拉伸延伸率为17.7%。Manoj等人设计的Al??Cu??Fe??Ni??Ti??合金则通过热处理进一步提升了其性能，其极限压缩强度达到2118 MPa，断裂应变提高至23%。这些研究结果表明，通过合理的成分设计和热处理工艺，双相高熵合金可以展现出卓越的机械性能。

然而，尽管双相高熵合金在机械性能方面具有优势，其热加工过程中的微观结构演变和强化机制仍需进一步深入研究。本文的研究重点在于分析Co??.?Ni??.?Al??.?Ti?双相高熵合金在热加工过程中的动态再结晶行为及其微观结构演变。研究团队采用Gleeble热压缩设备对合金进行了热加工实验，测试温度范围为950°C至1100°C，应变速率范围为1 s?1至0.001 s?1。通过这些实验，研究者们不仅能够深入了解合金在不同热加工条件下的行为，还能为优化其性能提供理论依据。

在实验过程中，研究团队利用真实应力-应变曲线（true stress-strain curves）建立了经典的Arrhenius型本构方程，并据此构建了热加工图（hot processing map）。热加工图是一种用于分析材料在不同热加工条件下的变形行为和能量耗散机制的重要工具。通过该图，研究团队确定了最优的热加工参数为1050°C/0.001 s?1。这一参数的选择基于对合金微观结构的详细表征，确保了在最佳条件下实现材料的充分再结晶和性能提升。

实验结果显示，经过热加工处理后，Co??.?Ni??.?Al??.?Ti?双相高熵合金的微观结构发生了显著变化。通过电子背散射衍射（EBSD）技术对合金的微观结构进行了表征，发现最优热加工条件下，合金的动态再结晶程度较高，且未表现出明显的织构（texture）。这表明在热加工过程中，合金能够有效地实现再结晶，从而改善其微观结构，提高机械性能。

进一步研究表明，在Co??.?Ni??.?Al??.?Ti?双相高熵合金中，B2相的动态再结晶过程相较于FCC相更为迅速。这一现象可能与两种相的原子结构差异有关。BCC相的原子排列较为开放，其晶格结构可能更容易发生滑移和再结晶。相比之下，FCC相的原子排列较为紧密，其动态再结晶过程受到更多限制。此外，研究团队还发现，在变形过程中，合金存在三种不同的动态再结晶机制。这些机制可能包括位错滑移、晶界迁移和相界界面的相互作用等。这些发现为理解双相高熵合金在热加工过程中的微观结构演变提供了重要的理论支持。

除了动态再结晶行为，研究团队还对合金在热加工后的机械性能提升机制进行了分析。实验结果显示，最优热加工条件下，合金的机械性能得到了显著改善。这一性能提升主要归因于晶粒细化强化和相界面强化。晶粒细化强化是指通过减小晶粒尺寸来提高材料的强度，而相界面强化则是指通过相界界面的相互作用来增强材料的力学性能。这两种机制的协同作用使得Co??.?Ni??.?Al??.?Ti?双相高熵合金在热加工后展现出优异的综合性能。

此外，研究团队还发现，合金中存在纳米尺度的L1?有序析出物和Lomer-Cottrell层错锁，这些微观结构特征对合金的机械性能具有重要影响。L1?有序析出物的形成可以有效地阻碍位错运动，从而提高材料的强度。而Lomer-Cottrell层错锁则可以在变形过程中起到稳定晶界的作用，防止晶界滑移，从而增强材料的延展性。这些发现进一步证明了双相高熵合金在微观结构设计上的优势。

通过本研究，研究团队不仅系统地分析了Co??.?Ni??.?Al??.?Ti?双相高熵合金在热加工过程中的动态再结晶行为和微观结构演变，还揭示了其机械性能提升的机制。这些研究成果为双相高熵合金的进一步开发和应用提供了重要的理论依据和实验支持。同时，研究团队也指出了该合金在机械性能方面仍有较大的提升空间，未来的研究可以进一步优化其热加工参数，探索更多可能的强化机制，以实现更优异的性能表现。

总的来说，本研究通过对Co??.?Ni??.?Al??.?Ti?双相高熵合金的热加工行为进行系统分析，揭示了其动态再结晶过程和微观结构演变的规律。这些发现不仅有助于深入理解双相高熵合金的性能机制，还为未来的材料设计和工艺优化提供了重要的参考。随着对高熵合金研究的不断深入，相信会有更多具有优异性能的新材料被开发出来，为航空航天、汽车制造和电子器件等领域提供新的解决方案。