成分调控对(NixAl)?Cr?.?FeV?.?高熵合金共晶组织演变、拉伸性能及强化机制的影响

《Journal of Alloys and Compounds》：Effect of composition regulation on eutectic microstructure evolution, tensile properties and strengthening mechanisms of (Ni xAl) 3Cr 0.9FeV 0.2 high-entropy alloys

　　

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  设计了狭窄的Ni/Al比窗口（2.7–2.9），以聚焦(Ni_xAl)₃Cr_0.9FeV_0.2高熵合金中FCC + B2/BCC结构的共晶区域。
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  共晶层片间距从2.02 μm细化至1.08 μm，晶界特征从小角度晶界为主转变为大角度晶界为主。
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  抗拉强度保持在938–947 MPa（<1%变化），而延性从14%显著提升至22%。

引言

共晶高熵合金（EHEAs）最早由Lu等于2014年报道，是高熵合金中一个前景广阔的子类[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。其团队成功设计并制备了具有典型层片状共晶微观结构的Al-Co-Cr-Fe-Ni合金[6]。此类层片状微观结构通常由韧性FCC相和硬脆BCC相组成，实现了单相合金难以达到的强度与延性的优异结合。迄今为止，Al-Co-Cr-Fe-Ni体系已成为研究最为广泛的共晶高熵合金体系之一，其共晶反应L → γ(FCC) + BCC为众多合金设计提供了基础。特别是，AlCoCrFeNi_2.1合金已被证明具有良好的层片状微观结构，并展现出卓越的力学性能，屈服强度超过1 GPa，同时保持可观的塑性。此后，研究人员通过不同的设计策略开发了多种双相EHEA体系，包括FCC + B2、FCC + BCC/B2或FCC + Laves相组合，如AlCoCrFeNi [7]、Nb-Ti-Zr-Ni [8]、Al-Fe-Co-Ni-Mo-Ta [9]、Al-Co-Cr-Ni [10]以及Fe-Cr-Ni-Co-Nb [11]、[12]、[13]。然而，对钴这种昂贵且具有战略敏感性的元素的依赖限制了这些合金的实际可扩展性。开发高性能无钴替代材料已成为亟待解决的研究重点。

在EHEAs的力学性能调控中，传统的微观结构优化通常伴随着强度-延性权衡，即强度提升以牺牲延性为代价，反之亦然[14]、[15]、[16]。然而，对于工程应用而言，在不损害强度的前提下实现延性的显著提升，才代表更具实际价值的设计目标。在含Ni和Al的高熵合金中，Ni/Al原子比对调节相组成和共晶层片状微观结构特征起着关键作用。增加Al含量会促进BCC相的形成并减少FCC相，引发从单相FCC向双相FCC+BCC微观结构的转变，有利于强度提升[17]。相反，增加Ni含量可增强FCC相的稳定性，提高塑性，并通过改变凝固路径和相体积分数来细化共晶层间距[18]、[19]。因此，Ni/Al比调控成为了一种无需昂贵合金添加剂即可实现理想强度-延性平衡的诱人策略。此外，添加少量钒（V）可以稳定相结构并强化合金[20]、[21]，而适当降低Cr含量有助于稳定FCC相并抑制过多脆性相的形成[22]、[23]。

本课题组此前报道了无钴Ni_2+xAl_1-xCr_0.9FeV_0.2（x=0, 0.2, 0.4，对应Ni/Al比分别为2.0、2.7和4.0）EHEAs，建立了Ni/Al比与相组成之间的关系，揭示了从近共晶到层片状共晶再到非共晶结构的微观结构转变，以及相应的压缩性能变化[24]。然而，先前研究的核心目标是实现共晶成分设计并分析压缩强度，且涉及较宽的成分范围，未能捕捉最优共晶成分（x=0.2）附近隐藏的微观结构演化细节。具体而言，先前工作既未将微观结构参数（如层片间距和晶界特征）作为独立变量进行系统变化，也未提供拉伸性能数据，使得拉伸变形机制和微观结构-拉伸性能关系完全未得到解决（见表S1）。基于此，本研究聚焦于共晶成分附近更紧凑且具有针对性的Ni/Al比范围，即(Ni_xAl)₃Cr_0.9FeV_0.2（x=2.7, 2.8, 2.9）合金体系。这一精细化的成分范围带来了研究焦点的根本性转变：不再是追踪不同类型微观结构之间的相变，而是专注于共晶微观结构的精细调控，即共晶层片间距和晶界特征。至关重要地，本研究首次采用系统拉伸测试，结合微观结构表征，揭示了合金的强化和变形机制，旨在为该合金体系的工程应用潜力评估奠定基础。

分节摘要

实验过程

采用纯度≥99.9%的Ni、Al、Cr、Fe和V金属颗粒作为原材料。使用QHV-400L非消耗真空电弧熔炼炉制备(Ni_xAl)₃Cr_0.9FeV_0.2合金（x = 2.7, 2.8, 2.9，以下分别简称为2.7Ni、2.8Ni和2.9Ni合金）。铸态锭呈按钮状，尺寸为Φ33 mm × 14 mm，质量约为60 g。为确保成分均匀性，每个锭块在氩气保护下至少重熔五次

相组成与微观结构

图2展示了(Ni_xAl)₃Cr_0.9FeV_0.2（x = 2.7, 2.8, 2.9）合金的X射线衍射（XRD）图谱。分析表明，三种合金（2.7Ni、2.8Ni和2.9Ni）均由FCC相和BCC相组成的双相微观结构构成。三种HEA中来自FCC相的衍射峰远强于BCC相，表明FCC相的体积分数更高。值得注意的是，在附近观察到超晶格衍射峰

相预测

为阐明(Ni_xAl)₃Cr_0.9FeV_0.2（x=2.7, 2.8, 2.9）合金中观察到的FCC + B2双相微观结构，本研究评估了多种广泛采用的热物理参数。混合焓（ΔH_mix）、混合熵（ΔS_mix）、价电子浓度（VEC）、原子尺寸差（δ）、电负性差（ΔX）以及参数Ω均使用文献中报道的标准公式计算[57]、[58]、[59]、[60]、[61]（见

结论

本研究通过系统调节Ni/Al原子比，设计并制备了无钴共晶高熵合金(Ni_xAl)₃Cr_0.9FeV_0.2（x=2.7, 2.8, 2.9）。全面研究了Ni/Al比与相组成、微观结构演化、力学性能以及强化和变形机制之间的内在关系。主要结论如下：

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  2.7Ni、2.8Ni和2.9Ni合金均由FCC和B2（BCC）相组成，层片

CRediT作者贡献声明

Lang Fengchao：指导，数据整理。Du Zhaoxin：指导。Cui Xiaoming：资源，方法论。Liu Fei：项目管理，调查研究。Ma Yubin：原始稿撰写，数据整理。Bai Pucun：指导，方法论。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在可能影响本文所报告工作的已知经济利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到中央引导地方科技发展资金（No. 2023ZY0012）、内蒙古自治区自然科学基金（No. 2025LHMS05029）、内蒙古自治区直属高校基本研究基金（No. ZYT2026143）以及内蒙古自治区一流学科研究专项（No. YLXKZX-NGD-002）的资助。

利益冲突声明

本文是新的。既非全文

Ma Yubin | Liu Fei | Cui Xiaoming | Du Zhaoxin | Lang Fengchao | Bai Pucun