《Science》金属所卢磊团队：超高强塑的梯度纳米位错胞结构高熵合金
2021-12-10 来源：GS_Metals
高熵合金（HEA）因其具有近乎无限的成分区间、独特的化学短程有序结构，使得其具有优异的力学性能。然而对于大多数HEAs而言，其塑性变形特征和机制与传统金属的相似，强度和延展性之间存在一定的权衡关系。在传统金属中，材料的塑性由基本线缺陷提供，即全位错以及与不同结构缺陷之间的相互作用，如高角度晶界(HAGBs)或孪晶界(TBs)。然而，由于在原子尺度上的化学短程有序 (SRO) 和空间可变堆垛层错能 (SFE) 的局部不均匀性，在具有高浓度固溶体的HEAs中发现了一些不同的位错行为。例如，通过增加纳米尺度(通常<3 nm)的局部浓度波动或局部化学短程有序，从而改变位错滑移模式以及增强位错运动/积累的摩擦阻力，这些被认为有助于改善高熵合金的机械性能。因此，需进一步通过研究新颖的微观组织来揭示HEA中是否具有独特变形机制，以丰富金属材料中提高强度和韧性的策略。
近日，中科院沈阳金属所卢磊研究员团队通过小角度往复扭转梯度塑性变形技术，在一个稳定的单相面心立方HEA中可控地引入了新型梯度纳米级位错胞结构（GDS），该结构包含随机取向的、平均尺寸为46 μm的等轴细晶（局部层错能大小为6~21 mJ/m2）。在早期拉伸应变时，在GDS-HEA中发现了极高密度的微小堆垛层错（SFs）、孪晶形核和堆积主导的塑性变形。与其他 HEA 相比，梯度位错胞结构显著提高了材料屈服强度，同时还能保持良好的塑性和稳定的加工硬化。相关研究成果以题为 “Gradient-cell–structured high-entropy alloy with exceptional strength and ductility”在《Science》上以First Release形式发布。全文链接为http://doi.org/ 10.1126/science.abj8114。
图1 Al0.1CoCrFeNi高熵合金中典型梯度位错结构
从Al0.1CoCrFeNi高熵合金的微观组织可以看出，晶粒分布较为均匀，随机取向，晶体尺寸大小均一。在晶粒内部观察到了单滑移诱导的低角度边界位错壁(LABs)，在晶粒最顶部的内部有大量取向偏差<15°的小角晶界(LAGBs)。随着距合金表面深度增加，位错胞尺寸逐渐增加，位错密度随之降低，实现了位错胞结构从样品表面至芯部的梯度分布和可控制备。此外拉伸测试表明，具有梯度位错胞结构的合金不仅让合金具有很高的屈服强度，是粗晶和细晶材料的2-3倍。同时还使其保持良好的塑性和稳定的加工硬化能力。此外，研究人员把屈服强度的显著提高归功于带有LABs的纳米级位错单元。由于合金中纳米级的尺寸和高密度的位错这一特征，加上最顶层GDS表面明显的连续硬化和整个GDS样品不寻常的加工硬化反应，表明梯度位错结构在应变时有额外的强化和延展机制。
图2 梯度位错结构Al0.1CoCrFeNi高熵合金的力学性能和变形机制
研究人员进一步研究了GDS-H在3%（稳定加工硬化的开始阶段）和40%（塑性的后期阶段）的不同应变下顶部的微观组织演变，以揭示梯度位错细胞结构HEA的内在变形机制。结果表明极高密度的堆垛层错和TBs介导的塑性变形是梯度位错单元结构是高熵合金中优异的力学性能的主要原因。对于这种致密的SFs和TBs的优势，在环境温度下的早期变形阶段，传统金属材料或大多数单一FCC相HEAs无法实现，这也主要归因于HEA的化学特征以及具有LAB的纳米级位错单元及其空间梯度分布。
图3 GDS-H Al0.1CoCrFeNi HEA在拉伸应变为3%时的变形微观组织
图4 GDS-H Al0.1CoCrFeNi HEA 在单轴拉伸过程中在40%拉伸应变下的变形特征和原位中子衍射测量
该项研究通过一种简单的往复扭转梯度塑性变形技术得到了新型梯度纳米级位错胞结构，并提出了一种全新的全位错强化的新型层错强韧化机制。这种变形机制对于获得HEA 固有的共同变形特征至关重要，并可以广泛适用于其他 HEA以实现更好的性能，这对于高级工程应用具有重要的指导性，例如汽车、发电站和航空系统等。
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