具有宽温域高强度的CoCrNi多主元合金的共格/半共格析出行为及断裂机理

《INTERNATIONAL JOURNAL OF PLASTICITY》：Coherent/Semi-coherent Precipitation Behavior and Fracture Mechanisms of CoCrNi Multi-principal Element Alloys with High Strength over a Wide Temperature Range

　　

•在CoCrNi基多主元合金中实现了共格γ′析出相和半共格η相。
•高体积分数（30.7%）的立方γ′纳米析出相实现了强效析出强化。
•半共格且不连续分布的晶界η析出相有助于保持高延伸率。
•该合金在77 K至973 K温度范围内保持抗拉强度高于1000 MPa、延伸率高于20%。

引言

在航空航天推进和先进核能系统中，关键部件经常承受极端的热机械循环，并可能需要在从77 K到973 K的宽温度范围内工作。如此苛刻的使用条件对结构材料提出了严格的要求，包括同时实现高强度、高韧性和优异的热稳定性（Cai等，2026；Tian等，2024）。然而，传统奥氏体钢尽管具有出色的低温韧性，但通常存在高温强度和抗蠕变性能不足的问题（Yang等，2021；G. Chen等，2024）。马氏体钢以8M钢为代表，在室温下表现出良好的强度-塑性平衡，但其较差的低温韧性仍然是关键限制（Shin等，2023）。即便是专为高温服役设计的常规镍基高温合金，在873 K以上温度也可能出现中间温度脆化，而微观组织不稳定性在923 K以上往往变得尤为明显（B. Zhang等，2025）。因此，设计一种新型合金，以实现宽温度范围内的高强度-塑性协同效应，仍然是十分紧迫的任务。

多主元合金，特别是基于高构型熵设计的中高熵合金，提供了一条克服上述局限性的有前景的途径（Xue等，2025；Cantor等，2004）。其中，CoCrNi基多主元合金由于其稳定的面心立方基体和卓越的低温韧性而受到了广泛关注（Chandraker等，2025）。然而，其高温强度不足仍然限制了实际应用（Ding等，2026）。引入共格析出相（如γ′/γ′′相）是提高高温强度的有效策略；然而，晶界处二次相的形成仍然是热暴露过程中的重要挑战。根据合金成分和热历史的不同，各种晶界析出相可能会形成，包括σ相（Huang等，2026）、Laves相、μ相（Wilson，2017）和M??C?相。这些晶界二次相可能会根据其形态、分布和热稳定性强烈影响晶界稳定性。特别是，晶界处过度的粗化或连续析出可能会为裂纹萌生和扩展提供优先位点，从而降低晶界结合力。此外，其在高温下倾向于热粗化以及强化效果的丧失，进一步限制了其对高温性能贡献（Gan等，2024；C. Wu等，2026）。因此，通过设计一种新的CoCrNi基多主元合金，在晶内和晶界处形成共格或半共格析出相架构，可以进一步在宽温度范围内增强力学性能，这可能有助于减轻中间温度脆化，尤其是在873–1073 K范围内（Cai等，2026；Tu等，2025）。

共格析出相，如γ′相，是一种特别有前景的强化组成相，对成分设计和热机械处理十分敏感。从成分设计角度来看，已有充分研究证明，在CoCrNi基体中共效添加Al和Ti是提高γ′析出热力学驱动力并促进L1?结构γ′纳米颗粒广泛析出的有效策略（Wu等，2024）。随着Al和Ti含量的增加，γ′体积分数增大，而析出相尺寸细化（Tang等，2025）。Zhang等（Q. Zhang等，2025）通过成分设计在Co??Ni??Cr??Al?Ti?合金中引入了约40%的γ′纳米颗粒，将973 K下的屈服强度提高至约750 MPa。热机械处理在控制γ′析出相的尺寸、形貌和空间分布方面也起着决定性作用。例如，Peng等（Peng等，2022）采用热轧、冷轧及后续热处理，在（CoCrNi）??Al?Ti?合金中获得体积分率约37–39%、平均尺寸约23 nm的细小均匀分散的γ′纳米颗粒。析出强化对总屈服强度的贡献约占三分之一。此外，对于宽温度范围服役，γ′相还必须展现出优异的高温热稳定性和抗粗化能力。先前的研究表明，调控关键元素的扩散行为并利用合金元素间的协同效应可以显著增强γ′纳米析出相的稳定性并抑制其在高温下的粗化（Zhao等，2019；Sun等，2025）。特别是，An等（An等，2020）证明Ta的添加能有效改善γ′相的高温稳定性，而Yuan等（Yuan等，2025）证明Co和Cr的协同效应能有效抑制γ′粗化。总体而言，成分和工艺控制对于定制γ′纳米析出相至关重要。在这方面，高体积分数、细小均匀分散且热稳定的γ′纳米析出相对强化CoCrNi基中熵合金尤其有利，同时能保持良好的界面共格性（Zhang等，2024）。

除了晶内共格析出相之外，在晶界附近形成具有非共格结构的粗大析出相通常是不可避免的，如σ相、μ相和Laves相。需要注意的是，这些硬而脆的相可能作为裂纹的优先形核位点或扩展通道，导致严重的晶间断裂或中间温度脆化（ITE）（C. Wu等，2026）。例如，You等（You等，2022）报道Fe??Mn??Co??Cr??合金中粗化连接的σ相促进了微裂纹的形成并导致早期失效。类似地，Liu等（Xiaochen Liu等，2024）显示脆性Laves相的溶解使Inconel 718的拉伸延伸率从12.2%提高到38.1%，证明了其对塑性有害的影响。因此，消除非共格析出相通常是成分设计和热机械处理中的关键目标，以防止高温性能的退化。

已发表论文的审查表明，完全消除这些非共格析出相极具挑战性，但促进形成具有共格或半共格结构的晶间析出相是可行的（He等，2024；Zhang等，2024）。Lu等（Lu等，2025）沿晶界引入了共格D0??相，有效地钉扎了晶界并阻碍了微裂纹的扩展，从而显著改善了中间温度下的延展性。Zhou等（Zhou等，2024）通过沿晶界形成花瓣状L1?析出相诱导锯齿状晶界，使合金能够在77至1273 K的宽温度范围内保持良好的延展性。这些研究表明，晶界结构在控制晶界脆化中起着关键作用，沿晶界引入共格或半共格析出相可以有效阻碍裂纹扩展，从而在宽温度范围内实现优异的强度-塑性协同效应。

目前，设计了一种非等原子比的CoCrNi基多主元合金，通过成分设计和热机械处理，在晶内形成共格析出相、在晶间形成半共格析出相，以在宽温度窗口内实现卓越的强度-塑性协同效应。在成分方面，引入Al和Ti以促进γ′析出，而使用Ta和较高的Co含量以增强γ′相的热稳定性并抑制其粗化。此外，采用Nb添加和降低Cr含量来调控不连续析出（DP）行为并促进有利的晶界析出（Wu等，2025）。在这一策略的指导下，微合金化结合定制热处理被用于在晶内开发高体积分数、细小均匀分散的γ′析出相。同时，系统地研究了晶界析出相的形成，特别是η相和少量Laves相，以及它们对中间温度断裂行为的影响。为此，对合金微观组织进行了全面表征，特别关注晶内γ′和晶间析出相的形貌、分布和界面结构。此外，在低温到高温范围内评估了合金的拉伸性能和断裂行为，以阐明晶内γ′析出强化和晶间析出相演化对宽温度范围力学性能的协同效应。本工作为高性能多主元合金在宽温度服役条件下的微观组织设计提供了指导。

材料加工

采用高纯元素原料（>99.9 wt.%）在保护氩气氛围下通过真空电弧熔炼制备了名义化学成分为Co??Ni??Cr??Al?Ti?Ta?Mo?Nb?V?（at.%）的非等原子比CoCrNi基多主元合金。为确保化学均匀性，铸锭重熔五次后浇筑至铜模中，得到质量约为800 g、尺寸为25 × 55 × 55 mm3的矩形铸锭。随后将铸态铸锭切割成板材试样。

相组成和微观结构

为了解所研究合金的相稳定性，使用Thermo-Calc软件结合TCHEA7数据库进行了热力学计算。计算得到的平衡相分数如图2所示。结果表明，在1123 K时效温度下为FCC γ相，同时γ′相预计热力学稳定，并且在所研究温度范围的部分区间内预计有少量η相和Laves相形成。预计的η相分数在Co范围内增加。

共格/半共格析出行为

基于前述微观组织表征，微合金化与热机械处理的协同组合产生了分级多相微观结构，包括共格的晶内γ′纳米析出相和以半共格η相为主的晶界析出相。相应地，以下讨论重点聚焦于晶内γ′相和晶界η相的不同作用。

结论

通过成分和工艺控制，优化了合金微观组织，开发了多相析出架构。利用析出相-基体相互作用，在宽温度窗口内实现了增强的强度-塑性协同效应。对相析出行为、合金强度和断裂失效的研究揭示了以下结论：

(1) 在CoCrNi基多主元合金中形成了共格γ′和半共格η析出相。其形成

作者声明

C. Wu领导了本研究，D. Xiao撰写了主要手稿，W. Huang和S. Shen进行了文献综述，Q. Xu和A. Zhou制备了样品并完成了所有初步显微观察，J. Wang和D. Xiao进行了数据分析。C. Wu和Z. Gan修订了手稿，Y. Zhou和D. Xiao完成了TEM/STEM结果的数据分析。Z. Gan和C. Wu提供了资金支持，S. Yang和J. Liu提供了实验室设备。所有作者讨论了结果和

未引用参考文献

Chen等，2024；Liu等，2024；Liu等，2024；Peng等，2025；Wang等，2025；Wu等，2026；Zhang等，2025

CRediT作者贡献声明

Dan Xiao：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿，方法论，形式化分析，数据整理。Chuandong Wu：撰写 – 审阅与编辑，监督，资源，项目管理，资金获取。Weiming Huang：验证，调查，形式化分析。Shuai Shen：调查。Qi Xu：软件。Ailin Zhou：监督。Yijing Zhou：调查。Jingjing Wang：验证。Shuang Yang：资源。Zhanghua Gan：资源，概念化。Jing Liu：资源，项目

Dan Xiao | Chuandong Wu | Weiming Huang | Shuai Shen | Qi Xu | Ailin Zhou | Yijing Zhou | Jingjing Wang | Shuang Yang | Zhanghua Gan | Jing Liu