鑄態(tài)合金往往需要復(fù)雜的熱機(jī)械加工才能獲得分級(jí)結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和延展性的良好結(jié)合。本文通過(guò)直接鑄造法制備了一種具有超高抗拉強(qiáng)度和優(yōu)異塑性的新型Fe₂₇Ni₃₅Cr_18.25 Al_13.75 Co₂Ti₂Mo₂高熵合金( HEA)。鑄態(tài)合金呈現(xiàn)分層結(jié)構(gòu)，在鑄造和冷卻過(guò)程中形成了超細(xì)片層組織( ULM )、超細(xì)菱形組織( URM )、超細(xì)蠕蟲(chóng)狀組織( UVM )、納米析出相和調(diào)幅分解( SP )。在變形過(guò)程中，面心立方( FCC )和體心立方( BCC )相的不相容性導(dǎo)致了非均勻變形誘導(dǎo)( HDI )硬化，使合金的拉伸屈服強(qiáng)度( YS )為1056 MPa，抗拉強(qiáng)度( UTS )為1526 MPa，總延伸率( El )為15.6 %。此外，分級(jí)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的大量界面吸收了變形過(guò)程中的能量，有效地阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，并引起了強(qiáng)烈的加工硬化。

  分級(jí)材料是一類具有不同基體和析出相尺寸和形貌特征的多尺度異質(zhì)結(jié)構(gòu)( HS )材料，不同區(qū)域之間的相互作用或耦合導(dǎo)致顯著的協(xié)同性能增強(qiáng)。在對(duì)多種傳統(tǒng)合金的研究中發(fā)現(xiàn)，具有分級(jí)特征的微觀結(jié)構(gòu)可以提供優(yōu)異的強(qiáng)度和塑性的組合。這種獨(dú)特性已被用于提高一系列材料的機(jī)械性能，包括鈦合金，鎳基高溫合金和高錳鋼，并將純鎢的極限抗拉強(qiáng)度( UTS )提高到1.0 GPa，在200℃時(shí)具有優(yōu)異的延展性(總延伸率、E1)為15.3 % 。在這些合金中，在區(qū)域、晶粒和相界處存在應(yīng)變梯度，以適應(yīng)塑性變形過(guò)程中的應(yīng)變差異。同時(shí)，幾何必需位錯(cuò)( GNDs )在邊界堆積，其應(yīng)力場(chǎng)疊加后形成長(zhǎng)程內(nèi)應(yīng)力，阻止Frank - Read源位錯(cuò)的進(jìn)一步發(fā)射，產(chǎn)生異質(zhì)形變誘導(dǎo)硬化( HDI )。

  近年來(lái)，高熵合金( HEAs )因其獨(dú)特的熱力學(xué)性能，成為許多苛刻環(huán)境下理想的候選材料在結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域，高熵合金物理冶金的復(fù)雜性為開(kāi)發(fā)分級(jí)微結(jié)構(gòu)以獲得所需的力學(xué)性能提供了極好的可能性。Komarasamy等采用高溫大塑性變形技術(shù)對(duì)Al_0.5 CrFeCoNi合金中的粗大析出相進(jìn)行變質(zhì)處理，實(shí)現(xiàn)了分級(jí)多相組織，其抗拉強(qiáng)度為1400 MPa，伸長(zhǎng)率為20 %。Kim等人報(bào)道了一種新型的Fe_49.5 Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀C_0.2 Ti_0.1 V_0.1 Mo_0.1高熵合金，該合金通過(guò)冷軋和600 ° C退火處理后含有三種碳化物。正是由于這些分級(jí)析出相和連續(xù)的形變誘導(dǎo)相變，該合金具有優(yōu)異的力學(xué)性能( UTS : ~ 1041 MPa , El : ~ 45 %)。在高熵合金中引入分級(jí)結(jié)構(gòu)最常見(jiàn)的方法是熱機(jī)械處理和增材制造技術(shù)。然而，它們涉及繁瑣的處理，需要多個(gè)步驟，并且調(diào)整層次結(jié)構(gòu)的形態(tài)、尺寸和分布是具有挑戰(zhàn)性的。因此，如何通過(guò)直接澆鑄獲得分級(jí)結(jié)構(gòu)以獲得優(yōu)異的力學(xué)性能是值得探索的。

   近年來(lái)，無(wú)Co的Al - Cr - Fe - Ni合金已成為一種熱門的高熵合金體系；這些合金的微觀組織具有多種形態(tài)，因此它們最有潛力通過(guò)鑄造來(lái)開(kāi)發(fā)分級(jí)微觀結(jié)構(gòu)。Borkar等人研究了一種近共晶Al₂CrCuFeNi₂高熵合金，該合金在凝固過(guò)程中經(jīng)歷了分級(jí)相分解，并呈現(xiàn)出花狀形貌。陸教授等人通過(guò)直接鑄造法設(shè)計(jì)并制備了Ni₃₅Al_21.67 Cr_21.67 Fe_21.67高熵合金，該合金呈現(xiàn)出具有核心和花瓣區(qū)域的分級(jí)微結(jié)構(gòu)。然而，由于體心立方( BCC )相含量過(guò)多，這些合金大多表現(xiàn)出本征脆性，僅表現(xiàn)出壓縮性能。通過(guò)我們的前期工作，發(fā)現(xiàn)Fe₃₀Ni₃₅Cr_21.25 Al_13.75合金具有優(yōu)異的拉伸性能，并且呈現(xiàn)出典型的多相結(jié)構(gòu)。

  為了通過(guò)直接鑄造實(shí)現(xiàn)分級(jí)微結(jié)構(gòu)，本文試圖通過(guò)微合金化來(lái)優(yōu)化結(jié)構(gòu)。在這些元素中，Ti的添加顯著細(xì)化了晶粒，而Mo由于其較大的原子半徑增加了晶格畸變程度。但需要注意的是，Ti和Mo的添加會(huì)顯著降低合金的塑性。通常，為了抵消這一問(wèn)題，需要降低Al含量以增加FCC相的含量。然而，降低Al含量會(huì)導(dǎo)致合金分級(jí)結(jié)構(gòu)的損失。為了克服這一挑戰(zhàn)，我們添加了少量的Co來(lái)增加FCC相。最終，通過(guò)仔細(xì)的配比調(diào)整和三種微量合金元素的篩選，我們發(fā)現(xiàn)Fe₂₇Ni₃₅Cr_18.25 Al_13.75 Co₂Ti₂Mo₂合金在鑄態(tài)下具有分級(jí)組織，并表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能。該合金的分層特征主要表現(xiàn)為：多相組織由FCC、BCC ( A2 )和B2相組成；FCC相在不同區(qū)域呈現(xiàn)層片狀、菱形和蠕蟲(chóng)狀形貌；B2相在FCC相中呈棒狀，在BCC相中呈球狀和迷宮狀( (由調(diào)幅分解( SP )形成) )；B2層被FCC相包圍，形成核殼結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)研究了該合金的相形成、變形機(jī)制和非均勻變形誘導(dǎo)( HDI )硬化。

圖1 .鑄態(tài)Fe₂₇Ni₃₅Cr_18.25 Al_13.75 Co₂Ti₂Mo₂合金的相組成和顯微組織。( a )多相結(jié)構(gòu)的XRD圖譜。( b )低倍IPF圖像顯示細(xì)小的等軸晶。( c )相圖顯示FCC和BCC相的分布和體積分?jǐn)?shù)。( d )顯微組織的高倍帶襯度圖像。BCC相和FCC相的( e , f)IPF分別對(duì)應(yīng)于( d )。

圖2 .鑄態(tài)合金的SEM - BSE觀察。( a ) URM和UVM的BSE圖像用紅色虛線標(biāo)出，晶界用黃色箭頭標(biāo)出。( b )晶粒內(nèi)不同形貌分級(jí)微結(jié)構(gòu)的背散射圖像。( c ) UVM高倍BSE圖像，清晰地顯示了菱形FCC相(被黃色虛線包圍)、球形B2析出相(綠色虛線)和SP (藍(lán)色虛線)的形貌。( d ) ULM的BSE圖像。

圖3 .多級(jí)結(jié)構(gòu)的TEM觀察。( a )明場(chǎng)( BF ) TEM圖像顯示了在一個(gè)晶粒中同時(shí)存在ULM、URM和UVM的合金形貌，其各自的區(qū)域由白色虛線劃定。( c ) URM的高倍BF - TEM照片及FCC和BCC / B2相的選區(qū)電子衍射花樣。( d ) ( c )中紫色方框的HRTEM照片，插圖為各相的FFT圖譜。( e ) ULM的低倍BF - TEM圖像；( f ) ULM的高倍BF - TEM圖像；( g ) UVM的BF - TEM圖像；( h ) URM、ULM和UVM的特征示意圖。 

圖4 . HAADF - STEM圖像和EDS圖譜顯示了鑄態(tài)合金中不同形貌B2相區(qū)域中Al、Co、Cr、Ti、Ni、Mo和Fe元素的分布情況。

圖5 . HAADF - STEM圖像和EDS元素分布圖顯示，Al、Co、Cr、Ti、Ni、Mo和Fe元素分布在鑄態(tài)合金的SP和FCC相周圍的B2殼層中。 

圖6 .所研究合金的鑄態(tài)力學(xué)性能。( a )室溫下測(cè)得的單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。( b ) Shr曲線。( c、d)總結(jié)已報(bào)道的具有分級(jí)微觀結(jié)構(gòu)的高熵合金在鑄態(tài)下的機(jī)械性能和本工作收集的數(shù)據(jù)。

圖7 .計(jì)算了所研究合金的鑄態(tài)相圖。( a )平衡相圖。( b ) Scheil模擬。

圖8 .提出了鑄態(tài)(詳見(jiàn)正文)合金凝固過(guò)程中相分解的示意圖。

圖9。拉伸變形過(guò)程中的GNDs。( a )拉伸應(yīng)變?yōu)?/span>4 %時(shí)BCC相的GNDs分布圖。( a₁ ) ( a )所對(duì)應(yīng)的GND值的直方圖。拉伸應(yīng)變?yōu)?/span>4 %時(shí)FCC相的( b , b₁)分布圖和柱狀圖。分別為拉伸斷口BCC相的( c , c₁)分布圖和柱狀圖。( d , d₁)分布圖和拉伸斷口處FCC相柱狀圖。

圖10 .研究了鑄態(tài)合金的裂紋擴(kuò)展行為。( a )顯示裂紋擴(kuò)展路徑的BSE圖像，插圖為放大后的白盒BSE圖像，顯示主裂紋周圍存在大量的分層裂紋。( b )裂紋尖端的BSE圖像。( c ) ( b )中紫色方框的高倍BSE圖像顯示主裂紋沿晶界擴(kuò)展。( d ) ( a )中藍(lán)盒子的高倍BSE圖像顯示在FCC和BCC相界面處存在大量的分層裂紋。( e )裂紋分叉從晶界到晶內(nèi)區(qū)域的BSE圖像。( f )主裂紋穿過(guò)分層結(jié)構(gòu)的BSE圖像。

圖11 . LUR拉伸試驗(yàn)。( a ) LUR拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。( b )第9個(gè)滯回環(huán)局部放大圖。( c )有效應(yīng)力( σeff )和背應(yīng)力( σb )的演化以及σ eff和σ b的應(yīng)力貢獻(xiàn)隨真應(yīng)變的變化。

  綜上所述，本文采用直接電弧熔煉法成功制備了一種具有多級(jí)結(jié)構(gòu)的新型多相Fe₂₇Ni₃₅Cr_18.25 Al_13.75 Co₂Ti₂Mo₂高熵合金，該合金同時(shí)具有UVM、URM、ULM、B2析出相和SP結(jié)構(gòu)。該合金具有優(yōu)異的拉伸性能，屈服強(qiáng)度( YS )為1056 MPa，抗拉強(qiáng)度( UTS )為1526 MPa，總伸長(zhǎng)率( El )為15.6 %。這種顯著的力學(xué)性能主要是由于軟的FCC相和硬的BCC相之間的不相容變形引起的HDI硬化。同時(shí)，多級(jí)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的大量界面消耗了能量，有效地增加了位錯(cuò)儲(chǔ)存能力，延緩了裂紋擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度和良好塑性的良好結(jié)合。這些結(jié)果證實(shí)了直接鑄造高熵合金可以獲得較高的強(qiáng)度和塑性，同時(shí)也為研究具有分級(jí)結(jié)構(gòu)的多相高熵合金的變形機(jī)制帶來(lái)了啟發(fā)。