韩国浦项: 高压扭转打造高强高韧复合材料
2021-01-28 来源：Goal Science
在结构金属领域，开发新的合金同时提高材料的强度和塑性面临着挑战。有学者提出了“构筑材料 (Architectured Materials)”的概念，即把两种或多种材料结合在一起，使得各个材料间展现出协同强化效果，进而提高材料的整体性能。复合材料、层状材料以及三明治结构均属于构筑材料的范畴。
对于多金属复合材料，其制备方法有很多种。熔融制备技术，如铸造和增材制造，在制备过程中会引入硬质第二相、裂纹、偏析和高的残余应力，因此只能应用于有限的合金体系。粉末冶金技术也没有得到广泛的应用，因为在高温烧结过程中会造成粉末颗粒的氧化且在界面处引入第二相，造成界面结合力变差。
近日，来自韩国浦项科技大学和韩国工业技术研究院的研究人员借助于大塑性变形-高压扭转 (HPT)技术，提出了一种新型的基于粉末冶金原理的方法，克服了现有制备技术存在的问题，成功打造出了高熵合金(CoCrFeMnNi)/镍基高温合金(IN718) 层状多金属纳米晶复合材料体系。该方法实现了基体/增强相界面处优异的物理冶金结合，且复合材料展现出高的屈服强度(~900MPa)和延伸率(40%)，解决了多金属复合材料中长期存在的问题。该工作以“Architectured multi-metal CoCrFeMnNi-Inconel 718 lamellar composite by high-pressure torsion”为题发表在期刊Scripta Materialia，通讯作者为韩国浦项科技大学Hyoung Seop Kim教授。
本研究中，CoCrFeMnNi和IN718合金粉末的平均颗粒尺寸分别为~35 μm和~120 μm，其中CoCrFeMnNi粉末为单相固溶体，枝晶间存在Mn偏析；IN718粉末为γ-枝晶组织，枝晶间存在Nb偏析和Laves相。混合粉末中IN718的体积分数为~30%，将其压制成厚度为2mm、直径为10mm的圆片后进行HPT处理，最后在氩气条件下对HPT样品进行后处理，具体工艺流程如图1所示。
图1 CoCrFeMnNi-IN718多金属复合材料制备示意图。
HPT样品微观组织为条状的IN718合金均匀分布在CoCrFeMnNi合金基体中(图2)，其中IN718合金的体积分数为~30%，且整体致密度达到了~99%。CoCrFeMnNi/IN718界面处为良好的物理冶金结合，存在合金元素的互扩散。HPT样品中，CoCrFeMnNi合金区域的晶粒尺寸为~35±8 nm，IN718区域的晶粒尺寸更加细小，为~20±5 nm。HPT过程中的高压会破坏粉末表面的氧化皮，促进粉末颗粒间的物理冶金结合。
图2 HPT处理后CoCrFeMnNi-IN718多金属复合材料的微观组织表征。(a, b)中的白亮区域为IN718，深色区域为CoCrFeMnNi合金。
如图3、图4所示，HPT样品后处理(700℃/800℃-1h)后，微观组织为等轴晶结构且界面处为光滑过渡。HPT-700℃样品的整体晶粒尺寸小于HPT-800℃样品，且每个样品中IN718的晶粒尺寸均小于CoCrFeMnNi合金。HPT样品在700℃/800℃退火后，均没有新相的生成，但在界面处观察到了合金元素的扩散。其中，HPT-700℃样品中的扩散距离为~10μm，HPT-800℃样品中的扩散距离为~25μm。结果表明，扩散距离和界面处的粗晶区域宽度相似。合金元素的扩散可能和界面处晶粒的粗化有关，元素扩散也证明了界面处的冶金结合。成分表征结果(图3(c)、图4(c))表明，HPT-700℃样品中的CoCrFeMnNi合金区域存在富Cr的σ-相，而HPT-800℃样品中没有观察到此现象。在两个样品中，除了Laves相外，还在IN718区域观察到了板状的δ-相 (Ni3Nb)，但是没有其他强化相(γ'和γ'')的存在。分布在晶界和晶内的δ-相可以阻碍晶粒长大，限制位错移动进而阻碍再结晶过程。
图3 CoCrFeMnNi-IN718多金属复合材料在HPT-700℃/1h处理后的微观组织表征。(a)中的双箭头表示靠近界面处的粗晶区域；(e)中的白色箭头表示σ-相；(f)中的红色箭头表示δ-相；(e, f)中的黄色箭头表示高密度位错晶粒。
图4 CoCrFeMnNi-IN718多金属复合材料在HPT-800℃/1h处理后的微观组织表征。(a)中的双箭头表示靠近界面处的粗晶区域；(c)中的黑色箭头表示Laves相；(f)中的白色箭头表示δ-相，黄色箭头表示高密度位错晶粒。
KAM分布图表明，HPT-700℃样品中IN718和CoCrFeMnNi合金区域均为部分再结晶组织；而HPT-800℃样品微观组织为异质结构，CoCrFeMnNi合金区域完全再结晶，IN718区域为部分再结晶。在界面附近的粗晶区域，KAM值较低，表明这些区域最先开始再结晶。
图5 HPT-700℃样品(a)和HPT-800℃样品(b)的KAM分布图。
拉伸试验结果表明，随着退火温度的提高，强度降低而延伸率得到改善。HPT-800℃样品展现出优异的综合力学性能：屈服强度~900MPa，抗拉强度~920MPa，延伸率~40%。需要注意的是，本工作中拉伸试样的标距长度为1.5mm，宽度1mm，厚度0.7mm。由于HPT-800℃样品的微观组织为异质结构，所以在变形过程中存在明显的背应力，其贡献了~58%的拉伸应力，如图6(b)所示。拉伸过程中KAM分布的演化(图6(c))表明应变主要集中在软的IN718区域。HPT-700℃样品的低延伸率主要是由于部分再结晶CoCrFeMnNi基体中硬质富Cr的σ-相的存在。本工作中CoCrFeMnNi-IN718多金属复合材料的力学性能优于大多数单独的CoCrFeMnNi合金和其他技术制备的多金属复合材料。
图6 CoCrFeMnNi-IN718多金属复合材料的力学行为和组织演变。
本工作提出的制备多金属复合材料的方法：(1)可以强烈地细化基体和增强相的晶粒尺寸；(2)可以实现界面处良好的物理冶金结合；(3)可以实现难变形金属的复合；(4)可以制备具有不同强度、密度和熔点的多金属复合材料。然而，此方法制备出的材料尺寸较小，在一定程度上限制了其应用范围。
