如何实现高熵合金的增强增塑？
2021-07-04 来源：GS_Metals
CoCrFeMnNi合金是最为经典的高熵合金，具有稳定的面心立方（FCC）晶体结构，在低温下展现出优异的强度-塑性组合，同时伴随着变形机制由位错滑移向变形孪晶转变。CoCrFeMnNi合金的一个“致命缺点”在于其低的屈服强度。剧烈塑性变形（SPD）是提高高熵合金屈服强度的有效手段，然而大多数SPD处理后的高熵合金展现出很低的塑性，主要原因在于加工硬化能力的显著降低和SPD处理后缺陷密度的饱和。为了提高塑性变形能力，通常对SPD处理后的合金进行退火处理，以提高材料的塑性，但是会引起强度的降低。而且，在较高温度下退火会形成不利的析出相或者造成相的分解。
和其他SPD技术相比，等通道转角挤压（ECAP）通过简单的剪切可以在块体材料中实现均匀变形，且变形过程不会改变横截面的面积，从而可以进行多次处理以达到所需的变形程度。ECAP虽然被用来对很多FCC合金的微观组织进行细化，但是在高熵合金中的研究相对较少。因此，SPD过程中高熵合金的组织演化还需要进一步地研究，同时存在以下两个问题：（1）在不进行后处理的情况下是否可以同时实现强化和韧化？（2）除了晶粒细化外，在SPD处理过程中，CoCrFeMnNi高熵合金中是否会发生其他强化机制？比如TRIP或TWIP。
近日，德州农工大学的I. Karaman（通讯作者）及其研究团队对CoCrFeMnNi高熵合金进行中温和高温的ECAP处理，研究了变形过程中TRIP和TWIP的激活机制，以及晶粒细化、位错结构和TRIP/TWIP现象的复杂交互作用，并阐明了其对力学性能的影响。相关成果以“Simultaneous deformation twinning and martensitic transformation in CoCrFeMnNi high entropy alloy at high temperatures”为题发表在期刊Scripta Materialia。
真空感应熔炼的CoCrFeMnNi高熵合金在900℃进行热挤压（HE），随后进行ECAP处理，参数如表1所示。表1给出了ECAP模具通道的示意图。ECAP处理后，沿着挤压方向制备拉伸和压缩试样，拉伸试样的标距尺寸为8mm×3mm×1.2mm，压缩试样的尺寸为4mm×4mm×8mm。
图1 ECAP模具通道示意图
图2为热挤压（HE）样品和ECAP样品的EBSD表征。HE样品的微观组织为等轴状的细晶组织，而ECAP样品展现出非均匀的晶粒尺寸分布。HE和ECAP样品均为FCC晶体结构，HE样品的晶粒尺寸为8.86±5μm，B1-ECAP样品的晶粒尺寸为1.18±1μm，B2-ECAP样品的晶粒尺寸为0.46±0.4μm。虽然经过两道次ECAP处理，总缺陷密度不会显著增加，但是道次的增加会影响晶界特征分布和微观组织的均匀性。图2（d）表明B2-ECAP样品中存在两个不同的区域，形成了复合微观组织。第一个区域为细长晶粒，而第二个区域为再结晶的超细晶粒。非均质微观组织在塑性变形过程中产生了复合效应，即大晶粒提供塑性变形而小晶粒产生强化。对于其他剧烈塑性变形处理的样品，非均匀的晶粒尺寸分布通常需要经过后续退火才能实现。而本工作中ECAP样品在中温和高温经过两道次处理后就可以得到理想的非均质微观组织，不需要进行后续的热处理。
图2 不同样品的EBSD表征（IPF+IQ图，相分布图，晶粒尺寸分布图）（a）900℃热挤压样品；（b）ECAP样品@900/900℃（B1）；（c）ECAP样品@900/300℃（B2）；（d）ECAP样品@900/300℃（B2），其中晶界定义为取向差高于10°
图3为B2-ECAP样品的TEM表征，组织中存在很多细长的超细晶，一些细长晶粒的宽度低于100nm。令人惊讶的是，组织中观察到了变形孪晶和ε-马氏体，说明在高温变形过程中同时形成了孪晶和ε-马氏体。根据之前的报道，即使在高层错能（SFE）材料中，超细晶和纳米晶也可以通过抑制位错塑性促进孪晶的形核。高温下孪晶和ε-马氏体的激活与施加应力对不全位错间距的影响相关。施加应力会改变Shockley不全位错之间的平衡间距距离，造成有效的SFE，进而决定了晶粒的变形机制。ECAP过程中施加的高应力使得具有择优取向的晶粒更容易发生不全位错的分离，降低了有效的SFE，从而导致了孪晶和ε-马氏体的同时形成。孪晶和ε-马氏体的形成会细化晶粒，提高材料的强度。ECAP过程中形成的高密度缺陷可以强化材料，同时位错胞结构的形成会增加位错平均自由程，有利于提高塑性变形能力。
图3 B2-ECAP样品的TEM表征
室温下HE样品和ECAP样品的力学行为如图4所示，力学性能数据如表2所示。ECAP过程中形成的非均质组织以及孪晶和ε-马氏体的形成是ECAP样品综合力学性能提高的主要原因。B1-ECAP和B2-ECAP样品展现出拉/压不对称性，主要归因于ECAP样品中的强织构和内部应力。此外，ECAP处理过程中晶界处背应力的累积也会导致拉/压不对称性。
图4 HE样品、B1-ECAP样品和B2-ECAP样品的（a）拉伸和（b）压缩曲线；（c）ECAP处理后样品的微观组织示意图
本研究对CoCrFeMnNi高熵合金在中温和高温下进行ECAP处理，造成了晶粒细化、位错密度增加以及非均质晶粒的形成，同时导致了变形孪晶和ε-马氏体的出现。高温下TRIP/TWIP效应的同时出现是由于低的SFE和高应力对不全位错间距的影响。此种复合微观组织提高了材料在室温下的综合力学性能，此方法可适用于其他中/高熵合金，以调控微观组织，进一步提高其力学性能。
