强韧FeNiCoAl基高熵合金用于低温到高温多功能应用

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2024-06-27 15:34:16

强韧FeNiCoAl基高熵合金用于低温到高温多功能应用

[导读]

人类对外层空间永恒的好奇心推动了真正惊人的技术进步，从月球探索到火星航行的成就证明了这一点。太阳系中行星表面的温度变化剧烈，从高达750 K (金星)到低至70 K(海王星)。因此，用于太空探索的结构材料必须在广泛的温度范围内具有合适的性能。尽管传统的金属和合金可以通过调整来获得优异的力学性能，但这种改善往往局限于特定的温度范围。多主元合金通常被称为高熵合金(HEAs)，其高度可调的性能为开发涉及极端条件的关键结构应用的优异材料提供了显著的潜力。然而，对高熵合金性能的优化主要局限于低温或高温下的行为。因此，在广泛的工作温度范围内提高高熵合金的力学性能对于其在外层空间探索和其他极端环境应用中的潜在应用是特别有意义的。

[成果掠影]

在这项研究中，美国加州大学欧文分校Enrique J. Lavernia、美国劳伦斯伯克利国家实验室Robert O. Ritchie以及美国加州大学圣地亚哥分校Kenneth S. Vecchio课题组合作，报道了一种非等原子、异质结构的高熵合金FeNiCoAlTaB，它在77 K到1073 K的温度范围内具有优异的力学性能组合。目前的亚稳态合金在77 K、298 K、873 K和1073 K表现出良好的延展性和优异的工程抗拉强度，分别为2.2 GPa、1.4 GPa、800 MPa和500 MPa。这种行为是通过在不同温度下被激活的单个机制的协同序列来实现的。该合金在77 K甚至表现出伪弹性，施加载荷高达2 GPa。这项工作为设计和制造多功能高熵合金提供了一种方法来调整结构异质性和亚稳态，在广泛的温度范围内优于已知的金属和合金。相关论文以题为：“Strong and ductile FeNiCoAl-based high-entropy alloys for cryogenic to elevated temperature multifunctional applications”发表在Acta Materialia上。

[核心创新点]

本工作设计了一种非等原子异质结构的高熵合金FeNiCoAlTaB，该合金在77~1073 K温度范围内具有优异的力学性能，其强化机制可以在不同温度下有效激活和操作。
此外，本工作设计的HEA在77 K下表现出伪弹性，使该合金成为低温环境下超强致动器或高阻尼应用的潜在候选者。
这项工作为设计和制造在广泛温度范围内优于传统金属和合金力学性能的高熵合金提供了一种可行的方法来调整结构异质性和亚稳态。

[数据概览]

材料微观结构

本工作制备了非等原子高熵合金FeNiCoAlTaB；其实际成分为Fe-28.2Ni-17Co-11Al-2.5Ta-0.04B,at.%。该合金设计γ′和B₂析出相的固溶温度分别高于1173 K和1373 K，可保证合金在高温下具有较高的强度和热稳定性。经热机械加工后，在再结晶状态下获得了由等轴细晶和拉长粗晶组成的非均匀奥氏体组织(图1a)。细晶和粗晶的平均尺寸分别为5.4±3.8 μm和28.4±11.7μm，晶粒尺寸分布不均匀。异质结构的晶界上分布着NiAlB₂型颗粒，尺寸在0.5~2 μm之间(图1b)。本工作的热稳定性表征显示，这些沿晶NiAl析出相在高达1400 K的高温下仍然存在(图2)。这表明NiAl析出相应该能够抑制晶界迁移，从而在高温下通过Zener钉扎效应限制细晶的生长。因此，FeNiCoAlTaB合金的异质结构在高达1400 K的温度范围内保持良好的热稳定性，这一特性优于大多数其他异质结构金属和合金。

强韧FeNiCoAl基高熵合金用于低温到高温多功能应用

宽温度范围的拉伸性能

在77~1073 K温度范围内对FeNiCoAlTaB高熵合金的单轴拉伸性能进行了测试，如图3a所示的工程应力-应变曲线所示，室温抗拉强度达到了1.43 GPa，对应的拉伸延展率为21%，表现出了优异的强度和延展性协同作用。当温度降低到77 K时，拉伸强度增加到了2.2 GPa，而延展性(保持在12%以上)没有太大的降低。与高强度水平相一致，在77 K和298 K下，观察到相当大的应变硬化率分别超过了15 GPa和4 GPa (图3b)。在高温下，FeNiCoAlTaB在873 K和1073 K分别保持超过800 MPa和500 MPa的抗拉强度。可见，FeNiCoAlTaB在77~1073 K温度范围内表现出优异的强度性能。

图3c显示了FeNiCoAlTaB合金与其他高性能金属和合金，包括纳米晶金属、难熔金属、钢、高熵合金和高温合金的抗拉强度随变形温度(77~1073 K)的变化关系。可以看出，FeNiCoAlTaB合金在77 K和298 K下的抗拉强度分别比其他金属合金高35%~110%和20%~100%，并且在873 K和1073 K的高温下仍保持与Inconel 625和Haynes 25合金相当的高温强度。值得注意的是，在873 K和1083 K时，FeNiCoAlTaB高熵合金的抗拉强度分别比著名的等原子比CrMnFeCoNi Cantor高熵合金提高了70%和2.4倍。

强韧FeNiCoAl基高熵合金用于低温到高温多功能应用

77 K下的伪弹性

如图3b所示，FeNiCoAlTaB合金在77 K下的变形表现出应变硬化的反常回升，在真应变为0.095时达到了18 GPa的应变硬化率；这比传统的金属和合金高出一个数量级。这种应变硬化率的上升与在形状记忆或伪弹性合金中观察到的类似，在这些合金中，可逆的马氏体相变是活跃的。为了验证FeNiCoAlTaB在低温下伪弹性的存在，本工作在77 K进行了增量拉伸加卸载试验，得到的77 K循环加卸载曲线如图4a所示。如图4a、b所示，FeNiCoAlTaB合金表现出典型的伪弹性行为，卸载时表现出较大的非线性可恢复应变。伪弹性与加工硬化能力增强的耦合表明发生了可逆的马氏体相变，透射电子显微镜(TEM)证实了这一点。这里需要指出的是，大的应变回复率(84%)，特别是在小的外加应变下(2-3%)，不能归因于异质结构金属和合金中常见的传统Bauschinger效应。值得注意的是，这种伪弹性行为在77 K的FeNiCoAlTaB高熵合金中普遍存在，其高应力水平超过了1.2 GPa，高达2.1 GPa。在具有伪弹性的传统NiTi、Cu基和Fe基合金中无法实现这种超高应力水平。对于高性能的低温高熵合金，如CrMnFeCoNi和CrCoNi，由于缺乏可逆的马氏体相变而没有伪弹性现象。因此，本工作认为FeNiCoAlTaB高熵合金是迄今为止报道的最强的块体多晶合金，在低温下还表现出伪弹性行为。这意味着该合金是作为高强度智能材料用于高阻尼或致动器应用于低温环境的极佳候选材料，例如用于外层空间探索。

强韧FeNiCoAl基高熵合金用于低温到高温多功能应用

[成果启示]

综上所述，FeNiCoAlTaB高熵合金是一种多功能、非等原子比的合金，其优异的力学性能不仅体现在低温或高温下，还体现在宽泛的工作温度范围(77~1073 K)内。在低温下，塑性变形中伴随着应力诱发的马氏体相变和纳米孪晶，后者在马氏体相中运行，这对合金的超高应变硬化率和优异的抗拉强度做出了显著贡献。由于薄板马氏体的形成，该HEA在77 K下也可以实现伪弹性。这种异质结构HEA中的顺序马氏体相变策略成功地克服了77 K马氏体相变过程中沿晶界的早期失效。在环境温度下，异质形变诱导硬化和形变介导的微带负责高应变硬化率和优异的拉伸强度和延展性能。在873 K时，γ′沉淀相强化是合金获得高强度的首要因素。在1073 K时，随着析出相的粗化和位错回复的增加，位错的解离和随后堆垛层错的形成导致的强化是高强度的主要原因。这种FeNiCoAlTaB合金微观结构的设计，特别是在不同温度范围内创建一系列变形和强化机制，为在前所未有的工作温度范围内- -从低温到高温- -开发具有优异力学性能的多功能高熵合金提供了一种可行的策略。