微量Ta添加对CoCrNiNb基高熵合金热处理诱导多相重构及压缩性能的影响

《Journal of Alloys and Compounds》：Effect of minor Ta addition on heat-treatment-induced multiphase reconstruction and compressive properties of CoCrNiNb-based high-entropy alloy

　　

# 摘要

少量难熔元素的添加可以调控基于CoCrNiNb合金的相重构，但其对相保持能力和压缩响应的影响仍未得到充分阐明。本研究通过电弧熔炼制备了非等原子比CoCrNiNb?.?Ta?.?合金，并在800–1100 °C下保温10小时进行退火处理。采用热分析、X射线衍射、定量能量色散X射线光谱、多尺度电子显微镜以及室温压缩测试，系统研究了相演变、元素分配、界面结构及力学行为。铸态FCC/Laves层片在800–1000 °C下发生扩散控制的固态重构，经鱼骨状和蝶翼状中间体演变为以σ/HCP/NbNi?为主的微观架构。在1000 °C时，最小特征相间距（0.148±0.037 μm）与均匀分布的近似球状重构区域（约7–10 μm）共存；而在1100 °C退火则导致相回复和粗化。定量成分分析表明，Ta优先分配至富Nb金属间化合物区域，支持其与重构架构持久性之间的关联，但并未独立证实明确的稳定化机制。1000 °C工况下合金表现出最优力学性能，屈服强度为2574 MPa，极限压缩强度为3052 MPa，断裂应变为19.8%，硬度为828.6 HV。该性能被解释为相替代与载荷分担的耦合作用、界面细化、点阵应变辅助的位错储存以及球状区域对屈服和屈服后应力再分配的贡献。这些结果表明，重构相拓扑结构和界面控制，而非单一硬相比例的最大化，是提高成分复杂合金强度-压缩塑性平衡的有效设计原则。

# 引言

高熵合金和中等熵合金提供了广泛的成分灵活性，可用于调控相组成、点阵畸变和变形行为。基于CoCrNi的合金尤其具有吸引力，因为其稳定的面心立方（FCC）基体能够实现显著塑性变形和持续应变硬化。然而，单相FCC微观组织通常表现出有限的室温屈服强度和硬度，因为有效的位错滑移屏障相对匮乏。因此，在保持压缩塑性的同时提高强度需要刻意的次相控制及其界面调控。

Ti、Mo、V或Nb的合金化可通过固溶强化、析出和形成多相架构来增强基于CoCrNi的合金性能。硬质的次相提高了承载能力并阻碍滑移，但其力学效益强烈依赖于其尺寸、形貌、空间连通性以及与周围基体的相容性。过高的相分数、粗大的组织或连续的脆性网络可能加剧应变局部化并促进裂纹扩展。因此，主要设计挑战并非简单地最大化硬相分数，而是建立一种有效的强化与稳定变形相结合的非均匀架构。

由于Nb具有较大的原子尺寸以及与组成元素强烈的化学相互作用，它在促进富Nb金属间化合物方面尤其有效。随着Nb含量的增加，CoCrNiNb?合金从以FCC为主的结构演变为FCC/Laves多相微观组织，强度和硬度随之增加。在x=0.4时，CoCrNiNb?.?形成明确的FCC/Laves层片架构，其中FCC相承担塑性变形，而更硬的Laves相和大量的相界面边界共同贡献载荷分担和滑移阻力。然而，粗化或相互连通的Laves区域可能导致应力集中并提供优先的裂纹扩展路径。因此，CoCrNiNb?.?为研究热处理诱导的重构提供了一个已建立的无Ta基准。在本研究的CoCrNiNb?.?Ta?.?合金中，Nb系数保持为0.4，以便与该基准进行对比，而不引入Nb含量变化作为额外的成分变量。

Ta以0.1的系数引入，对应2.86 at.%，名义Ta/Nb原子比为0.25，作为CoCrNiNb?.?成分框架内的少量难熔添加。由于Nb和Ta是化学性质相关的第五族难熔元素，Ta可能优先分配至含Nb的组成相中，并改变局部互扩散、界面演变以及由此产生的多相架构的热持久性。热处理可进一步诱导多相基于CoCrNi的合金发生相分解、析出、元素重新分配和界面重构。在无Ta的CoCrNiNb?.?中，退火将原始的FCC/Laves层片转变为以σ/HCP/NbNi?为主的架构。据报道，最优力学响应出现在约900 °C附近，而在1000 °C处理则导致粗化、部分溶解和性能退化。目前尚不清楚含Ta合金是否遵循相同的重构路径，或是否能在更高温度下保持重构架构，以及伴随的相形貌、元素分配和界面结构的变化如何决定其力学响应。

在本工作中，CoCrNiNb?.?Ta?.?通过真空电弧熔炼制备，并在800–1100 °C下退火。结合差示扫描量热法、X射线衍射、扫描电镜-能谱分析、电子背散射衍射和透射电镜，以及室温压缩测试，揭示了温度依赖的相重构，量化了元素分配，并将所形成的相和界面结构与力学行为相关联。本研究建立了热重构基于CoCrNiNb多相合金的加工-结构-性能关系，并为通过难熔元素分配和界面架构控制优化其强度-压缩塑性平衡提供了指导。

## 合金合成与试样制备

采用纯度为99.95 wt.%的元素Co、Cr、Ni、Nb和Ta制备目标CoCrNiNb?.?Ta?.?成分。名义成分为28.57 at.% Co、28.57 at.% Cr、28.57 at.% Ni、11.43 at.% Nb和2.86 at.% Ta。对15个空间分离视场进行大面积扫描电镜-能谱分析，结果为30.93±1.23 at.% Co、27.03±0.96 at.% Cr、28.40±1.08 at.% Ni、11.14±0.18 at.% Nb和2.50±0.09 at.% Ta（表1）。合金锭重约30 g，通过非消耗电极真空电弧熔炼制备，并

## 成分测量与热响应

对铸态合金15个空间分离视场的大面积扫描电镜-能谱分析结果显示：30.93±1.23 at.% Co、27.03±0.96 at.% Cr、28.40±1.08 at.% Ni、11.14±0.18 at.% Nb和2.50±0.09 at.% Ta，与对应的名义值28.57、28.57、28.57、11.43和2.86 at.%相比（表1）。在采样尺度上，Nb和Ta分别偏离其名义值-0.29和-0.36 at.%。

铸态CoCrNiNb?.?Ta?.?合金的差示扫描量热曲线如图1所示。未观察到可辨识的热事件。

# 结论

本研究表征了含少量Ta的CoCrNiNb?.?Ta?.?合金中热处理诱导的多相重构及其产生的压缩响应。主要结论如下：

(1) 铸态FCC/Laves层片在800至1000 °C之间发生扩散控制的固态重构。鱼骨状和蝶翼状中间体在1000 °C时演变为近似球状的重构区域，而在1100 °C退火则导致相回复和显著的

# CRediT作者贡献声明

徐一彤：调查研究。陈立凡：撰写——初稿，形式分析。赵学平：方法论。高怡民：监督指导。侯晓虎：方法论。李聪：撰写——审阅与编辑，调查研究。吴达：方法论。李博：撰写——审阅与编辑，监督指导，方法论，资金支持，构思设计。

# 利益冲突声明

无

# 致谢

本研究受陕西省自然科学基金（项目编号：2026JC-YXQN-170）和国家自然科学基金（项目编号：52175184、52405213）资助。

# 利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

陈立凡 | 徐一彤 | 李博 | 吴达 | 李聪 | 侯晓虎 | 高怡民 | 赵学平

西安交通大学材料科学与工程学院材料力学行为国家重点实验室，西安，中华人民共和国