《Journal of Alloys and Compounds》：Mo/Cr ratio-tuned microstructure refinement and mechanical strengthening in CoCrFeNiMo high-entropy alloys analyzed by laser opto-ultrasonics dual detection (LOUD)
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高熵合金通过激光光声超声双检测框架实现成分-结构-性能协同分析，建立基于等离子体参数和超声衰减的硬度、晶粒尺寸及弹性模量预测模型，验证了非破坏性检测的高效性与准确性。
Harse Sattar|Samra Zafar|Qiangwei Hu|Ahmed M. El-Sherbeeny|Mostafa R. Abukhadra|Muhammad Imran|Geng Li|Lianbo Guo
武汉国家光电子实验室（WNLO），华中科技大学（HUST），中国湖北省武汉市430074
摘要
高熵合金（HEAs）在成分与结构性能之间存在复杂的关联，这挑战了传统的单一技术表征方法。在这项工作中，提出了一种集成激光光声双检测（LOUD）框架，用于同时研究Mo/Cr调制的Co-Cr-Fe-Ni-Mo HEA系统中的等离子体行为、微观结构演变和机械性能。通过使用激光诱导击穿光谱（LIBS）和激光超声（LU）系统地研究了六种Mo/Cr比例逐渐增加的合金，从而在单一实验平台上实现了硬度、晶粒尺寸和弹性模量的无损评估。LIBS分析显示，随着Mo/Cr比例的增加，Mo和Cr原子及离子的发射强度单调增强，硬度从320 HV1.0显著提升至760 HV1.0。通过利用等离子体激发物理原理，利用等离子体参数（如离子线强度与原子线强度的比值和等离子体电子温度（T0）定量评估了硬度。基于融合的预测模型表现出良好的线性和预测准确性，其回归系数（R2 ≥ 0.99），预测误差低于3%。同时，LU参数能够捕捉到依赖于微观结构的波传播行为。晶粒尺寸从27.06 μm细化到9.47 μm，导致声衰减从0.337 dB mm?1增加到0.519 dB mm?1，从而通过基于衰减的模型准确预测了晶粒尺寸，其R2 = 0.986，MAE = 0.524 μm，RMSE = 0.611 μm。此外，从LU信号获得的纵波和剪切波速度随着晶粒尺寸的细化而稳步增加，其中VL从4770.40 m s?1增加到5230.36 m s?1，VS从2357.7 m s?1增加到2853.8 m s?1，从而可以通过各向同性弹性关系确定弹性模量。LU得到的弹性模量与拉伸试验结果吻合良好，MAE为3.058 GPa，RMSE为3.490 GPa，误差范围为1.06–3.03%。这些结果表明，LOUD为Mo/Cr工程化HEAs的成分、微观结构和机械性能的定量、相关性映射提供了一种实用的无损方法。
引言
高熵合金（HEAs）由于其非传统的合金化方式以及出色的机械和功能性能组合，一直受到科学和技术的关注[1]、[2]、[3]。与传统基于单一主要元素的合金不同，HEAs由多种主要元素以相当的原子分数组成，导致高配置熵和复杂的局部化学环境[4]、[5]。这些独特的成分特性导致严重的晶格畸变、增强的固溶强化以及缺陷动力学的改变，这些因素共同决定了相稳定性、晶粒细化和机械响应[6]、[7]。因此，HEAs为通过有意的成分调控设计具有优异硬度、强度和弹性刚度的材料提供了有前景的平台[8]、[9]。基于CoCrFeNi的HEAs因其稳定的固溶基体和良好的延展性而成为标准的面心立方（FCC）基体。后续研究表明，加入难熔元素是通过晶格畸变和固溶效应增强相稳定性和强化合金的有效方法[6]。最近的研究表明，添加Mo通过增加晶格畸变和固溶强化显著改善了HEA系统的强度相关特性，从而提高了硬度和弹性刚度；然而，这也可能基于最终的微观结构状态导致性能上的权衡。在FeMnCoCr基高熵合金薄膜中添加Mo显著提高了硬度和弹性模量，这主要是由于Mo引起的晶格畸变和固溶强化效应[10]。在各种HEA系统中，含Mo和Cr的合金尤为重要，因为Mo和Cr都是熔点高、键合特性强，并对晶格畸变和缺陷密度有显著影响的难熔元素[11]、[12]。Mo和Cr含量的同时增加可以显著改变原子尺度的键合强度和位错密度，从而影响硬度、晶粒尺寸细化和弹性模量[13]、[14]。这些发现证明了目前在CoCrFeNiMo合金中调整Mo/Cr比例的技术的合理性，其中Mo/Cr作为一种可调节的化学参数，通过成分-结构相互作用来控制微观结构的细化和机械性能的增强。然而，尽管有关HEAs成分性能关系的报道很多，但能够同时关联元素成分、微观结构细化和机械性能的集成方法仍然有限。传统的表征技术，如X射线衍射[15]、扫描电子显微镜[16]、显微硬度测试[17]和拉伸测量，基本上耗时较长，通常是破坏性的，并且通常独立地研究这些特性，而不是以集成的方式。尽管进行了全面的合金设计尝试，但一个显著的缺陷是成分、微观结构和机械性能通常通过不同的、耗时的、偶尔具有破坏性的方法进行评估，这阻碍了成分-结构-性能的定量关联和快速筛选。这鼓励了一种统一、被动的方法，可以同时获取成分特性和依赖于微观结构的弹性响应，并将其转化为机械性能的验证指标。
基于激光的诊断方法为解决这些限制提供了强大的替代方案。特别是，LIBS通过分析激光产生的等离子体羽流的光学发射，实现了快速的、原位的元素分析[18]。同时，LU技术通过超声声衰减和波传播提供了微观结构和弹性性能的非接触式评估[19]。这两种方法主要源自相同的激光-物质相互作用现象，并通过目标的热机械响应相互关联。当在称为激光光声双检测（LOUD）的单一实验框架内结合时，这些方法提供了关于成分、等离子体特性、微观结构和机械行为的互补和物理耦合的信息[20]、[21]。在LOUD方法中，来自光谱的离子线和原子线的相对强度以及T0受到碰撞激发和电离过程的影响，这些过程取决于材料硬度和能量耦合效率[22]。较硬的材料通常由于对冲击诱导膨胀的更强抵抗力和表面附近的能量限制增加而表现出更强的等离子体电离和电子温度。同时，在LU测量中，超声波速度受到弹性刚度的影响，而声衰减则受到晶粒尺寸和晶界散射的强烈影响[24]。在超声波长超过晶粒尺寸的多晶金属系统中，更细的微观结构引入了更高的散射密度，导致衰减增加和回波衰减特性的改变[25]。因此，LOUD提供了一种物理上一致的途径，可以在单一诊断平台上将元素成分与微观结构和机械性能联系起来。重要的是，我们的工作通过引入一个统一的LOUD框架，将Mo/Cr依赖的等离子体特征（LIBS）、对晶粒尺寸敏感的超声衰减和LU弹性波速度联系起来，建立了物理上可解释的、无损的硬度、晶粒尺寸和弹性模量的预测模型。
在这项工作中，我们利用这一能力分析了一系列Mo和Cr含量逐渐增加的六种HEAs。这种受控的成分变化诱导了晶粒尺寸的细化，从而导致硬度和弹性模量的演变，为建立定量分析提供了理想的平台。LIBS用于分析全发射光谱、离子线与原子线的强度比值和T0，从而通过等离子体参数预测硬度[26]、[27]。激光超声测量用于提取纵波和剪切波速度，然后用于评估弹性模量和声衰减系数，从而评估晶粒尺寸[21]、[28]。这些基于LOUD的预测通过基于SEM的晶粒尺寸分析、显微硬度测试和拉伸应力-应变实验获得的参考测量结果进行了验证。这项研究的主要目的是证明LOUD可以作为HEAs的统一、无损表征平台。通过整合光学发射光谱和LU，我们建立了可靠的预测模型，用于分析HEAs的硬度、晶粒尺寸和弹性模量。据我们所知，这是第一项将集成LOUD（LIBS + LU）平台应用于Mo/Cr调制的CoCrFeNiMo HEAs的研究，能够在单一实验平台上同时定量预测硬度、晶粒尺寸和弹性模量，并通过传统的机械和微观结构测量进行了验证。
章节片段
HEA的合成和样品制备
Co–Cr–Fe–Ni–Mo HEA粉末是通过使用纯度≥99.5%的Co、Cr、Fe、Ni和Mo粉末进行机械合金化（MA）合成的。MA在行星球磨机（QM-3SP4，Nanda Instrument，中国）中进行，转速为250 rpm，在氩气气氛下进行，球与粉末的重量比为10:1，使用直径为5 mm的硬化不锈钢球和316不锈钢瓶。湿法研磨使用甲苯作为过程控制剂，以减少团聚
相组成和微观结构演变
在Mo和Cr基HEAs中，微小的成分变化会影响相稳定性、峰宽相关的缺陷/应变指标，以及影响晶粒形态，从而直接影响硬度、弹性波传播、衰减行为和速度分散。使用XRD和SEM研究了Mo–Cr调制HEA系统的结构演变，以明确相稳定性、晶格畸变和晶粒形态之间的关系。图3展示了XRD光谱和
结论
在这项工作中，开发了一个综合的激光光声双检测（LOUD）框架，以阐明Mo/Cr调制高熵合金中成分和结构性能之间的关系。通过将激光诱导击穿光谱与激光超声结合，研究表明可以通过基于物理的光学和声学描述符定量和无损地评估关键机械性能。LIBS分析显示，随着
CRediT作者贡献声明
Harse Sattar：撰写——原始草稿、方法论、研究、正式分析、数据管理、概念化。Ahmed M. El-Sherbeeny：撰写——审阅与编辑、资源、正式分析。Mostafa R. Abukhadra：撰写——审阅与编辑、资源、正式分析。Samra Zafar：撰写——审阅与编辑、软件、数据管理。Qiangwei Hu：研究、正式分析、数据管理。Lianbo Guo：撰写——审阅与编辑、可视化、监督、资源、项目
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
这项工作得到了国家自然科学基金（编号：62250410363）的支持。作者感谢沙特阿拉伯利雅得的King Saud大学通过正在进行的研究资助计划（ORF-2026–133）以及中国鄂州市的科学研究项目（授权号：EZ01–013–20240049）对本工作的资助。
