采用新型单相均匀化加奥氏体等温淬火工艺实现(Fe35Ni35Cr20Mn10)94.34Ti5.66合金强度与延展性的折衷

《Materials Science and Engineering: A》：Trade-off of strength and ductility of (Fe35Ni35Cr20Mn10) 94.34Ti 5.66 alloy by novel single-phase homogenizing plus austempering process

　　

摘要

本研究首先对铸态（Fe35Ni35Cr20Mn10）94.34Ti5.66（Ti5.66）高熵合金（HEA）铸锭在1050°C进行20 h均匀化处理，获得单相FCC组织，随后在700°C分别进行0.5 h、1 h和4 h的等温淬火处理，并进行水冷。利用SEM、TEM和XRD，结合Pandat?热力学计算与拉伸测试，系统地研究了等温淬火热处理过程中的微观组织演化及其对力学性能的影响。在等温淬火过程中，单相FCC基体中的组织演化主要沿晶界发生，首先析出η相（FCC→η），随后η相和BCC相共析出（FCC→η + BCC）。在晶粒内部，FCC基体中析出高密度细小球形γ′纳米颗粒，仅能通过TEM观察到。随着等温淬火时间从0.5 h增加到4 h，新生相从晶界向内生长，其面积分数从4.7%增加到12.6%，而γ′颗粒的平均尺寸从5.9 nm增加到15.1 nm。与铸态合金相比，在700°C等温淬火1 h的试样屈服强度提高了29.6%，断裂伸长率提高了76.8%，强塑性匹配指标提高了46.3%，实现了强度和塑性的最佳组合。屈服强度的提高归因于第二相对位错运动的强烈阻碍以及位错密度的显著增加。此外，Taylor晶格的形成、η相与基体间的协调变形行为以及拉伸塑性变形过程中位错的重构是获得高塑性的原因。

引言

高熵合金（HEAs）由多种主元元素组成，拓宽了金属材料的设计空间[1]。由于独特的高熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应和"鸡尾酒"效应，高熵合金表现出优异的综合性能，如强度、热稳定性、耐磨性和耐蚀性，因此已成为下一代结构材料的研究热点[2]、[3]、[4]。面心立方（FCC）基高熵合金由于其优异的塑性和应变硬化能力而备受关注[5]。然而，单相FCC高熵合金通常在室温下表现出较低的屈服强度[6]、[7]、[8]，这限制了其在结构部件中的应用。为了增强屈服强度，各种强化策略已被广泛采用，如合金化[9]、细晶强化[10]、固溶强化[11]、析出强化[12]和加工硬化[13]。然而，大多数方法严重牺牲了塑性，使得强度和塑性的最佳匹配难以实现。在经典强化机制（固溶、细晶、位错和第二相强化）中，第二相强化确实是协调强韧化最有前景的方法。通过合金化，构建较软的基体中嵌有足够比例且弥散分布的较硬第二相，有望实现强度与塑性的良好协同[14]、[15]、[16]。然而，关键挑战在于平衡各组成相的特征并有效调控二次相的形貌。然而，通过简单的合金化策略，由于非平衡凝固，铸态微观组织中容易形成粗大或聚集的第二相。这不仅限制了强度，还恶化了塑性，严重制约了性能的潜力[17]。此外，在铸态高熵合金中，宏观和微观成分偏析不可避免，这也严重恶化了力学性能[18]。热处理作为优化材料性能的高效工艺，常被用于高熵合金中调控微观组织，从而提高综合力学性能[19]。

不同的热处理方法可以直接影响高熵合金中析出第二相的特征，如其类型、尺寸和分布，从而影响强度和塑性。例如，在冷滚动70%并在900°C热处理1 h后，Co34.5Cr30Ni26.5Al5.4W3.6高熵合金的基体中形成了弥散的σ相析出物，使其在保持19%延伸率的高塑性的同时，获得了875 MPa的高屈服强度[20]。Lu等人[21]通过80%冷滚动加700°C热处理20 h制备了具有足够γ'析出物的Ni46Cr23Co23Al4Ti4高熵合金。由于γ'析出相的形成，屈服强度达到920 MPa，延伸率约为36%。然而，值得注意的是，大多数析出强化的高熵合金需要经历复杂的轧制或其他变形过程。虽然这些工艺可以提高强度，但无疑其冗长复杂的制备过程限制了高熵合金的应用。因此，如果能通过简单的热处理制备高强度塑性的高熵合金，将特别有意义，因为这样可以显著降低生产成本并满足工业应用的要求。Hou等人[22]研究了热处理工艺对铸态Al0.6CoCrFeNi高熵合金微观组织和力学性能的影响。结果表明，在700°C退火3 h后，屈服强度从462 MPa（铸态）显著增加到961 MPa，提高了108%。这归因于FCC基体中L12相的析出。Le等人[23]报道退火温度显著调控了FeCoNiAl0.25Mn0.75Ti0.25高熵合金的微观组织和力学性能。在800°C退火的试样达到638 MPa的峰值屈服强度，远高于铸态试样（428 MPa），这是由于退火过程中纳米级L12颗粒的析出。Qiu等人[24]研究了退火对铸态Co40Cr20Ni30Al4.5Ti5Mo0.5高熵合金力学性能的影响。在700°C退火后，屈服强度从655 MPa（铸态）显著增强到923 MPa，提高了41%。现在可以得出结论，通过简单的热处理（仅调节温度和时间），可以有效调控高熵合金的微观组织，从而优化力学性能。

然而，尽管关于第二相强化的研究广泛展开，关键的瓶颈仍然存在。(1)传统的单步退火通过析出强化提高屈服强度，但不可避免地牺牲塑性。将单相均匀化（消除凝固缺陷）与受控等温淬火（调控多尺度析出相）相结合的两步策略尚未见报道。特别是，单相均匀化处理后的等温淬火过程中的相变路径尚未得到很好的确立。(2)缺乏可靠的性能指标来定量评估强塑性匹配。传统乘积（UTS×EL）值在经历热处理后通常会下降，因此无法反映强塑性匹配的真实情况。(3)实现强度和塑性同时提高的多尺度塑性变形机制仍缺乏了解。

在我们之前的研究中，通过添加Ti制备了铸态(Fe35Ni35Cr20Mn10)100-xTix高熵合金（x = 0, 1.96, 3.85, 5.66, 7.41）。Ti5.66高熵合金实现了良好的强塑性匹配[25]。然而，粗大共晶相的存在和严重的枝晶间偏析表明其性能可以进一步优化。因此，有意选择该成分作为目标合金，通过适当的热处理策略解决上述瓶颈。在本工作中，探索了一种新颖而简单的"单相均匀化+等温淬火"热处理方法。重点研究(Fe35Ni35Cr20Mn10)94.34Ti5.66（命名为Ti5.66）高熵合金（以工业纯度原料制备的大尺寸铸锭形式）的力学性能与微观组织演化之间的关系。通过微观组织表征和Pandat?相图计算，阐明了该高熵合金在等温淬火过程中的相变行为。此外，提出了一种新颖的强塑性匹配指标。同时也讨论了强塑性匹配的机制。

章节摘要

合金制备

(Fe35Ni35Cr20Mn10)94.34Ti5.66高熵合金大尺寸铸锭在工业真空感应炉（型号YC2018-0075）中制备，委托临沂研创新材料有限公司完成。为方便阅读和记忆，该合金命名为Ti5.66高熵合金。所有元素均采用工业纯度金属块作为原料。充分熔化后，熔体在炉内真空保护气氛下浇入石英模具中。铸锭大约

微观组织

如图2a所示，铸态Ti5.66高熵合金试样表现出典型的枝晶组织。它由深灰色枝晶主干和白色的枝晶间区域（一次共晶区域）组成，其中包含黑色块状结构（最后凝固的共晶区域）（图2b-d）。对图中标记为A、B和C的区域进行了EDS检测，结果列于表2中。与设计的合金成分相比，枝晶主干内部为

等温淬火过程中的相变行为

为了更好地理解高熵合金在等温淬火过程中的微观组织演化行为，热力学相图计算是必不可少的。利用Lever模型，获得了Ti5.66高熵合金在1100°C–650°C温度范围内的平衡相图，如图1所示。各相的摩尔分数随温度的变化关系如图15所示。根据平衡相变理论，在1009°C–907°C的温度区间内，η相将会析出

结论

本研究研究了(Fe35Ni35Cr20Mn10)94.34Ti5.66高熵合金在等温淬火热处理过程中的微观组织演化及其对力学性能的影响。主要结论如下：

(1) 在1050°C进行20 h的单相均匀化处理后，铸态合金中的第二相已完全溶解入基体，形成单相FCC过饱和固溶体。单相均匀化合金具有优异的断裂伸长率56.3%；但其

作者贡献声明

Dan Wu：方法论，数据管理。Weijun Zhu：方法论。Mengchuan Shi：写作–审阅与编辑，写作–初稿，方法论，调查，形式分析，数据管理。Xinghui Pan：写作–初稿，方法论，调查，形式分析，数据管理。Hengcheng Liao：写作–审阅与编辑，监督，方法论，经费获取，概念化

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

数据可用性

数据可根据要求提供。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到了江苏省高性能钢丝产品核心 technology 重点实验室开放项目（项目编号：BM2016023）、江苏省科技成果转化项目（项目编号：BA2020023）和省级重点研发计划项目（项目编号：BE2023046）的资助。

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