Zr改性Al7075激光粉末床熔融制备中定制热处理效应的微观机制与超细晶调控

为解决高/中熵合金(HEAs/MEAs)在变形和再结晶过程中形成超细晶(UFG)结构的机制不明问题，研究人员通过高压扭转(HPT)和短时退火处理CoCrFeMnNi HEA和CoCrNi MEA，发现动态回复抑制和晶界迁移迟滞特性导致其形成410/200 nm和448/80 nm的超细晶结构（含/不含退火孪晶），创下单相材料最小晶粒记录。该研究通过蒙特卡洛/分子动力学(MC/MD)模拟揭示晶界自由体积减小机制，为高浓度合金的微观结构调控提供新见解。

　　

在材料科学领域，如何通过简单工艺获得超细晶粒结构一直是重大挑战。传统金属材料通过剧烈塑性变形和再结晶退火虽能实现晶粒细化，但往往难以突破微米级瓶颈。尤其对于面心立方(FCC)结构的高/中熵合金(HEAs/MEAs)，其独特的成分设计赋予材料优异性能，却也让晶粒演化机制变得复杂。尽管前期研究发现这类合金经冷轧和退火后易形成完全再结晶超细晶(FRex-UFG)结构，但关于其形成机理仍存在两大谜团：为何高浓度合金更易获得超细组织？这种特性与合金本质属性有何关联？

为破解这些难题，Shuhei Yoshida团队选择典型FCC结构材料——等原子比CoCrFeMnNi HEA和CoCrNi MEA作为研究对象。通过高压扭转(HPT)这种剧烈塑性变形(SPD)工艺结合精准热处理，配合多尺度表征和原子模拟，系统揭示了HEAs/MEAs中独特的晶粒细化规律。该成果发表在《Materials Characterization》上，为发展新型超细晶材料提供了理论依据。

研究采用四大关键技术：1）高压扭转在6 GPa压力下对预 homogenized均质化处理的合金施加1800°扭转；2）同步辐射X射线衍射(XRD)结合卷积多重全谱拟合(CMWP)方法定量位错密度；3）电子背散射衍射(EBSD)和透射电镜(TEM)解析微观结构演变；4）混合蒙特卡洛/分子动力学(MC/MD)模拟不同原子尺寸差异(δ)模型的晶界特性。

3.1 严重塑性变形后的变形微观结构

研究发现HPT处理后两种合金的显微硬度分别达到HV 488.7和525.8，对应位错密度高达3.4×10¹⁶ m^-2和5.4×10¹⁶ m^-2。TEM显示CoCrFeMnNi HEA形成58 nm的纳米晶，而CoCrNi MEA则更细至43 nm，并伴随FCC→HCP相变。这种远低于传统合金的晶粒尺寸，归因于高浓度合金元素对动态回复的强烈抑制。

3.2 初次再结晶后的微观结构

短时退火后（HEA：800°C/10 s；MEA：700°C/30 s），两种合金均形成含高密度退火孪晶的FRex-UFG结构。EBSD统计显示HEA和MEA的晶粒尺寸（不计孪晶）分别为410 nm和448 nm，含孪晶时进一步降至200 nm和80 nm，后者创下单相材料最小记录。TEM证实再结晶晶粒内位错密度显著降低，但保留少量变形引入的缺陷。

3.3 初次再结晶后的晶界迁移动力学

通过Arrhenius方程计算得到HEA和MEA的晶界迁移激活能分别为304 kJ/mol和308 kJ/mol，是纯Ni的三倍。MC/MD模拟揭示随着原子尺寸差异(δ)增大，晶界自由体积(V_GB)显著减小，当δ=6.15时V_GB/b降至纯金属的60%。这种几何效应导致溶质拖拽增强，从而迟滞晶界迁移。

讨论部分通过临界形核尺寸模型(d=4γ_GB/αμb²ρ)阐明，HEAs/MEAs中超高位错密度(ρ)使d减小至370 nm量级，促使形核密度大幅提升。而低层错能(SFE)促进退火孪晶形成，进一步细化组织。研究首次建立"抑制动态回复-提高形核密度-迟滞晶界迁移"的闭环机制，不仅解释了HEAs/MEAs易获超细晶的本质原因，更为设计新型纳米结构材料指明方向。该成果突破传统合金晶粒细化极限，使通过简单热机械处理获得百纳米级单相组织成为可能，在航空航天用高强度材料开发中具有重要应用价值。