喷丸处理双相Al?.?CoCrFeNi高熵合金表面层的宏观与准宏观残余应力及微观组织演变

《Surface and Coatings Technology》：Macro- and pseudo-macro-residual stresses and microstructural evolution in the surface layer of a shot-peened dual-phase Al 0.7CoCrFeNi high-entropy alloy

　　

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  通过XRD和盲孔钻削技术解耦双相高熵合金中的宏观与准宏观残余应力。
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  晶粒度准宏观残余应力通过喷丸强度解耦并缩小。
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  FCC中的准宏观残余应力在低温下保持较好的热稳定性。

引言

高熵合金（HEAs）凭借其优异的力学性能、耐腐蚀性和抗氧化性而受到越来越多的关注，这些特性源于晶格畸变、扩散迟缓和鸡尾酒效应的协同贡献。这些特性使它们在汽车和化工行业以及航空航天、海洋和核工程等领域的应用中展现出巨大的潜力[1]。高构型熵促进了简单固溶体结构的形成倾向[2]。在实际应用中，单相高熵合金往往难以满足恶劣条件的要求。例如，单相FCC高熵合金通常表现出可观的延性但强度有限。相比之下，单相BCC高熵合金具有高强度但延性不足[3]。因此，平衡BCC和FCC相强度与延性的双相策略得到了广泛研究。Yang Hong等人将Al_xCoCrFeNi高熵合金中的Al含量调整为0.7，然后通过定制的热处理工艺调控微观结构。FCC/BCC层状结构与适当体积分数的析出相结合，显著提高了铸态高熵合金的强度和延性[4]。然而，正如广泛报道的那样，双相异质性容易产生不同的界面应变分配。进而，应变局部化成为微裂纹萌生和扩展的源头，导致过早失效[5]。

鉴于大多数失效发生在表面，许多研究转向表面强化技术[6]。例如，Kai Chen等人通过表面磨削提高了FCC/BCC双相高熵合金Al₁Cr_0.8Fe_2.2Ni_2.1（at.%）的抗裂纹和耐腐蚀性能，并将其归因于表面动态再结晶的促进和Ni偏析，这有效地削弱了应力集中并阻碍了裂纹萌生[7]。或者，作为应用最广泛的表面强化方法之一，喷丸处理也被用于细化高熵合金表面层的微观结构并使应变分配均匀化。Junxi Chen等人对非等原子四元Fe₄₀Ni₂₀Co₂₀Cr₂₀（at.%）高熵合金进行了超声喷丸处理。所得由孪晶、堆垛层错和位错胞组成的梯度结构将屈服强度从204 MPa提高到559 MPa，同时保持了良好的延性和应变硬化能力[8]。值得注意的是，除了微观结构的调控外，在表面层引入压缩残余应力也对提高高熵合金的性能起到积极作用。Jing Di等人发现，激光定向能量沉积制备的AlCoCrFeNi_2.1的耐腐蚀性能优于铸态对应的材料。其潜在机理是，由于成分和微观结构均匀化而缩小了FCC和BCC相之间的微电偶电位差，以及由压缩残余应力稳定化的钝化膜有效减少了点缺陷的产生[9]。因此，喷丸处理常被用于在大多数金属构件中施加压缩残余应力[10]。

已知残余应力实际上按其影响范围分为三级。一级残余应力在宏观尺度上平衡，称为宏观残余应力。二级残余应力在大约晶粒尺寸级别上平衡。由于它在X射线衍射（XRD）测试中可能像一级残余应力一样导致峰位偏移，因此也被称为准宏观残余应力。仅在晶粒内或甚至更小的区域内变化的残余应力被视为三级应力（微观残余应力）[11]。然而，大多数研究忽略了残余应力的测量，或者只是检测而不区分一级和二级类型[8]。对于双相合金而言，有限的研究探索了各相中的残余应力。例如，Ming Chen等人通过XRD方法检测了喷丸处理双相不锈钢中铁素体相和奥氏体相中的残余应力分布。为了提高精度，检测和分析了较高的衍射角（奥氏体(311)在Mn-K_α辐射下，铁素体(211)在Cr-K_α辐射下）[12]。然而，当第二相含量很小时，或XRD探测器无法覆盖适当的较高2θ时，这将会变得非常具有挑战性。在这种情况下，机械方法与XRD结合可以解耦宏观和准宏观残余应力。K. Bobzin等人比较了AlCu6Mn和AlZn5.5MgCu合金上的增量孔钻和XRD方法[13]。D. Damjanovic等人通过相同方法估计了管道环形钢中的残余应力[14]。关于喷丸表面增强，B. Winiarski等人根据微孔钻和微XRD的测试结果重建了喷丸Al-7075-T651的残余应力场[15]。类似的方法也被用于研究喷丸处理的6082-T5铝合金[16]。然而，这些研究的主题都是单相合金。至少，未涉及不同相中准宏观残余应力的分析。

为解决这一问题，本研究采用盲孔钻结合XRD的方法，测定了喷丸处理FCC/BCC双相Al_0.7CoCrFeNi高熵合金表面层的宏观和准宏观残余应力。盲孔钻是一种基于机械的残余应力测量技术，通过从组件上钻入小孔周围释放的表面应变进行逆向计算来确定预先存在的宏观应力。因此，它适用于测试各向同性线性弹性材料的近表面残余应力，即使由多相组成也是如此。此外，还对微观结构的演变、形貌、硬度和残余应力的热稳定性进行了评估。

章节摘要

实验

基于我们之前的研究[3]，本研究采用真空悬浮熔炼法制备的双相Al_0.7CoCrFeNi高熵合金，以高纯度（≥99.9 at.%）的Al、Co、Cr、Fe和Ni金属作为原料。通过X射线荧光光谱仪检测的铸态高熵合金化学成分如表1所示。为了定制初始FCC和BCC相的形貌、尺寸和分布，将铸态高熵合金在

预热处理

图1展示了铸态Al_0.7CoCrFeNi的微观结构和化学成分分布，其表现出典型的层状结构，由FCC（较亮对比度）和BCC（较暗对比度）组成。根据EDS分析，FCC相富含Fe和Cr，而BCC相含有较高含量的Al和Ni。Co在两个相中均匀分布。值得注意的是，在较暗的层状区域中也观察到了由BCC/B2相组成的网状结构，这表明

结论

在本研究中，采用了一种结合XRD和盲孔钻的方法，将宏观残余应力与准宏观残余应力分离开来，从而能够系统地研究喷丸处理前后双相Al_0.7CoCrFeNi高熵合金表面层中残余应力的分布及其热稳定性。同时，还对表面形貌、微观结构和显微硬度的变化进行了全面分析。主要结论是

CRediT作者贡献声明

Chengxi Wang：撰写——初稿，资源，项目管理，方法论，资金获取，概念构思。Shuohong She：调查，正式分析，数据管理。Ming Chen：调查。Vincent Ji：调查。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（编号：12262014）和云南省基础研究项目（编号：KKRD202251014）的资金支持。

Chengxi Wang|Shuohong She|Ming Chen|Vincent Ji