钛（Ti）对采用MA-SPS方法制备的Al0.25CrFeNiTi高熵合金温度依赖性的强度-韧性行为的影响

《Materials Science and Engineering: A》：Influence of Ti on the temperature-dependent strength-ductility behavior of Al0.25CrFeNiTi high-entropy alloys prepared by MA-SPS

高熵合金Al0.25CrFeNiTi_x（x=0.15,0.25,0.35,0.45）通过机械合金化-Spark等离子烧结制备，研究Ti含量对微观结构和力学性能的影响。Ti含量调控相组成和粒子尺寸，导致FCC/BCC双相结构及析出相（AlNi2Ti、B2、σ相和Ni3Ti）的生成。Ti0.25合金室温强度最优（σ0.2=2070.95 MPa，εp=15.80%），主要归因于固溶强化和细晶强化；Ti0.35合金高温强度优异（650℃时σ0.2=997.32 MPa）。微观结构演变与力学性能的关联性被揭示，为高温结构材料设计提供理论依据。

　　

Jiahui Wang|Tianmin Li|Qingbo Yang|Xiaoting Xu|Chunxu Wang|Tongxu Zhou|Xiaoyu Zhang|Tao Wu|Mangong Zhang|Jiafeng Wu|Guofeng Wang

哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，中国哈尔滨 150001

摘要

通过机械合金化结合火花等离子烧结（MA–SPS）工艺制备了Al_0.25CrFeNiTi_x（x = 0.15, 0.25, 0.35, 0.45）高熵合金（HEAs）。Ti含量显著影响合金的微观结构和温度依赖的力学性能。在球磨过程中，Ti控制着冷焊与断裂之间的竞争，进而影响粉末粒度和BCC相的形成。烧结后，合金保持了FCC/BCC双相结构。随着Ti含量的增加，有序的AlNi₂Ti和B2相开始析出，当x = 0.45时，脆性的σ相和Ni₃Ti相也会形成。Ti含量是调控力学性能的关键因素。Ti_0.25合金在室温下表现出最佳性能（σ_0.2 = 2070.95 MPa，ε_p = 15.80%），而Ti_0.35合金在650 °C时具有优异的高温强度（σ_0.2 = 997.32 MPa）。不同温度下的性能差异与Ti引起的微观结构变化密切相关。定量强化分析表明，Ti_0.25合金的高室温屈服强度主要来源于固溶强化（936.45 MPa）和晶粒细化强化（590.40 MPa）。本研究阐明了Ti添加对Al_0.25CrFeNiTi HEAs微观结构演变的影响，为设计和优化中高温结构用非耐火高熵合金提供了理论基础。

引言

高熵合金（HEAs）是一类新型材料，通常定义为含有五种或更多主要元素的固溶体[1]。由于其多组分特性，HEAs具有许多独特性质，如高配置熵、严重的晶格畸变以及缓慢的扩散动力学[2]，[3]。这些特性赋予了HEAs优异的力学性能，如高强度和硬度[4]、出色的热稳定性[6]以及良好的耐磨性和耐腐蚀性[8]。然而，在宽温度范围内实现高强度与良好延展性的平衡仍是限制HEAs实际应用的关键挑战。

在各种HEA体系中，AlCoCrFeNi合金因其优异的延展性而被广泛研究。然而，昂贵的钴（Co）的加入显著增加了制造成本，限制了其大规模工业应用[9]，[10]，[11]。在Al_xCoCrFeNi体系中，x < 0.4的合金通常呈现面心立方（FCC）结构，虽然具有较好的延展性，但强度较低[12]。例如，单相FCC结构的Al_0.25CoCrFeNi在室温下的抗拉强度仅为345 MPa，尽管断裂伸长率高达46%[13]。Wu等人[14]系统评估了Co在AlCoCrFeNi体系中的作用，发现Co并未带来明显的力学优势，反而去除Co后延展性有所提高。这些结果表明，尽管基于FCC结构的AlCrFeNi合金具有较好的塑性，但其强度不足是一个根本限制。

为克服这一缺点，合金设计策略越来越注重在不过度牺牲延展性的前提下强化FCC基体。从成本和应用角度考虑，添加Ti被认为是一种有效的强化方法。由于Ti与主要成分（尤其是Ni和Al）之间的混合焓值较低，Ti促进了高稳定性有序相（如B2或L2₁）的形成和细小尺度沉淀[15]。这些纳米级沉淀物有效阻碍了位错运动，从而提高了屈服强度和抗蠕变能力。同时，Ti的较大原子半径也促进了固溶强化，进一步提升了合金的整体强度[16]，[17]。因此，固溶强化和有序相沉淀的联合效应为弥补FCC主导HEAs的强度不足提供了有效途径。

目前，HEAs主要通过铸造[18]、[19]和粉末冶金[20]、[21]方法制备。在粉末冶金技术中，机械合金化（MA）后进行火花等离子烧结（SPS）常用于制备具有精细均匀微观结构的纳米晶HEAs。MA-SPS特别适用于组成元素熔点差异较大或含有非金属元素的HEAs[22]，[23]。Jiang等人[24]报道，通过MA-SPS制备的等原子比AlCrFeNi合金具有1424 MPa的压缩屈服强度和28.5%的断裂应变。相比之下，Nagarjuna等人[25]使用相同工艺制备的等原子比AlCrFeNiTi HEA获得了1650 MPa的更高压缩强度，但断裂应变降至4%。这表明，过量的Ti添加虽然提高了合金的强度，但显著降低了其延展性。

等原子比AlCrFeNi合金呈现单相BCC结构，具有一定强度，但塑性较差[26]，[27]。当Al和Ti的总含量较高时，合金主要包含BCC相，不利于形成双相结构[28]。以往关于AlCrFeNi基HEAs的研究主要集中在Al含量较低的合金上，因为过量的Al会增加晶格失配，从而降低高温抗氧化性[29]。通过MA-SPS制备的低Al AlCrFeNiTi体系中，添加Ti后强度与延展性之间的权衡关系尚不明确。更重要的是，Ti含量、微观结构演变和力学性能之间的内在关系仍缺乏系统和深入的研究。

本研究通过MA-SPS制备了Al_0.25CrFeNiTi_x（x = 0.15, 0.25, 0.35, 0.45）HEAs，旨在阐明Ti含量对Al_0.25CrFeNiTi基HEAs微观结构和力学性能的影响。利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和能量色散光谱（EDS）研究了相组成、微观结构演变和元素分布。室温压缩试验评估了力学性能，重点关注Ti含量对屈服强度、塑性变形和硬度的影响。此外，如涡轮叶片等工程应用要求材料在650 °C下保持良好的力学性能[30]，因此还进行了650 °C下的高温压缩试验以探讨合金在此条件下的服役性能。

预期这些结果将建立组成、微观结构和力学性能之间的内在关联，从而实现Al_0.25CrFeNiTi基材料系统的精确设计和优化。这些结果将为开发新一代高强度、高韧性HEAs提供坚实的理论基础和实验数据。

章节摘录

HEAs的制备

在高纯度氩气氛围下，按照名义摩尔比称量纯度为99.99%的Al、Cr、Fe、Ni和Ti粉末（粒径小于30 μm），然后将其装入研磨瓶中。球粉重量比为10:1。用高纯度氩气清洗研磨瓶三次后，使用行星球磨机（QM-3SP4，南京Nanda仪器厂）以200 rpm的速度研磨2小时，以确保混合均匀

合金粉末的相演变和微观结构特征

球磨35小时后，Al_0.25CrFeNiTi_x（x = 0.15, 0.25, 0.35, 0.45）粉末完全合金化。以下讨论中，这些合金分别简称为Ti_0.15、Ti_0.25、Ti_0.35和Ti_0.45。四种合金的理论原子百分比见表S1。合金粉末的XRD图谱见图1(a)。如图所示，所有合金粉末均呈现由体心立方（BCC）和FCC相组成的双相结构。

MA过程中的相组成热力学分析

预测HEAs的相组成对于其设计和应用至关重要。许多研究采用了原子尺寸差（δ）、理论熔点（T_m）、混合焓（ΔH_mix）和热力学参数（Ω）、混合熵（ΔS_mix）、价电子浓度（VEC）等参数来预测近平衡或铸造状态下的相组成[54]。[55]尽管MA过程中的相形成主要受...

结论

本研究成功制备了一系列Al_0.25CrFeNiTi_x（x = 0.15, 0.25, 0.35, 0.45）HEAs，并系统研究了Ti含量对其相演变、微观结构和力学性能的影响。主要结论如下：

1)

在MA阶段，形成了以BCC相为主的非平衡过饱和固溶体。Ti含量通过...

CRediT作者贡献声明

Chunxu Wang：验证、资源提供。Tongxu Zhou：验证、资源提供。Qingbo Yang：可视化、监督。Xiaoting Xu：可视化、验证。Mangong Zhang：软件处理、数据分析。Jiafeng Wu：数据管理。Xiaoyu Zhang：方法论研究、实验设计。Tao Wu：监督、数据分析。Tianmin Li：软件使用、实验设计。Guofeng Wang：写作、审稿与编辑、项目管理、资金争取。Jiahui Wang：写作、初稿撰写、方法论研究、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

数据获取

数据可应要求提供。

资金来源

本项目得到国家自然科学基金（项目编号：52375318）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。