超强中熵合金！Nature子刊：2.2GPa+13%均匀延伸率
2020-05-14 来源：Goal Science
高熵合金由于具有优异的高/低温力学性能、热稳定性、耐腐蚀性等，成为国内外材料学者的研究热点。基于高熵合金的概念，中熵合金也应运而生，其定义为结构熵在0.69R~1.5R（R为气体常数）之间[1]。研究表明[2]，中熵合金CoCrNi具有更低的层错能以及更持久的纳米孪晶强化，室温和低温力学性能均优于具有相同FCC结构的高熵合金CrMnFeCoNi。然而，传统CoCrNi中熵合金室温下的屈服强度和抗拉强度较低，如何获得超高强度（UHS>2.0 GPa）和良好均匀延伸率（>8%）组合是中熵合金面临的巨大挑战，也是其能否应用于特殊结构领域（飞机起落架等）的瓶颈。
近日，香港城市大学、沈阳航空航天大学等多家机构联合在期刊Nat. Commun.上发文，题为“Dual heterogeneous structures lead to ultrahigh strength and uniform ductility in a Co-Cr-Ni medium-entropy alloy”。研究人员在传统等原子比CrCoNi合金的基础上，重新进行了成分设计，增Co降Ni降低层错能，从而提高FCC相的稳定性。同时，添加Al和Ti元素，用于形成完全共格的L12析出相，最终的合金成分为34.46Co-32.12Cr-27.42Ni-3Al-3Ti（原子比）。研究人员先将合金进行深冷轧制（cryo-rolling, CR）,再900℃/1h高温退火（CRA），最后在700°C/4 h时效析出（CRAA）。由于变形不均匀性以及部分再结晶，CRA样品中FCC相的晶粒出现双峰分布（10-30 μm v.s. 0.5-2 μm）,且L12析出尺寸的分布也呈现双峰趋势（~100nm v.s. 20-50nm）。低温时效处理后，CRAA样品晶粒内部出现了高密度的细小析出（3~5nm）,其与基体的晶格错配度仅为0.011%。基体FCC相和大量共格析出的双相异质结构使得材料的屈服/抗拉强度达到了~2.0GPa /2.2GPa，均匀延伸率依然表现不俗（13%）。
图1 合金的力学性能曲线及性能对比（异质结构的贡献为~800MPa；析出强化的贡献为~1115MPa）
图2 CR，CRA，CRAA样品的微观结构（a-c，g-l标尺分别为10 μm, 20 μm, 20 μm, 200 nm, 500 nm, 200 nm, 20 nm, 500 nm, 20 nm）。CRAA样品中有大量的退火孪晶和层错以及超高密度的细小析出。
图3 CRAA样品的高角环形暗场STEM和3D-APT表征
图4 CRAA样品断裂后的组织表征。变形过程中没有出现FCC相的转变和变形孪晶的产生，可能原因是高密度的析出导致纳米孪晶和HCP相形成的临界应力大幅度提高。
本研究充分利用异质结构和共格析出对强度和塑性的双重贡献，打造出了“超强中熵合金”！近期，清华大学材料学院陈浩团队在低成本中锰钢体系中，通过成分和工艺的优化也获得了和本研究同级别的性能（清华大学最新研究：金属强化新突破——揭秘CBE强化机理）。笔者认为，无论何种合金体系，独特的科研思路以及可实施的实验方案才是科研成果源源不断的保证。对此，你有什么看法呢？
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参考文献：
[1] Li, Rui Xuan, and Yong Zhang. "Entropic Alloys for Cryogenic Applications." Stainless Steels and Alloys. IntechOpen, 2018.
[2] Laplanche, G., et al. "Reasons for the superior mechanical properties of medium-entropy CrCoNi compared to high-entropy CrMnFeCoNi." Acta Materialia 128 (2017): 292-303.
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