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丰链智造探讨高强塑性超细晶共晶高熵合金的研究

丰链防磨技术    2021-03-24    710

众所周知,实现金属材料的超高强塑性,高强度和高延展性,对金属材料的服役安全性、长寿命、节能减排等具有重要意义,而如何同时提高金属材料的强塑性,一直是结构材料领域的重大科学问题。

共晶高熵合金是近年来新开发的一种合金体系,共晶合金具有良好的流动性和铸造性能,其丰富的成分和结构变化带来了更广泛的制备原位复合新材料的可能性,为金属材料的微观结构设计和最终性能调控提供了巨大的潜力。

上海大学材料学院研究团队基于铸态的AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金,使用简单可工业化的熔炼-轧制-热处理工艺,首次制备出一种遗传铸态共晶层片的超细晶结构--双相异质层片结构,率先实现了共晶高熵合金此前无法同时获得的超优强塑性(屈服强度可达到~1.5 Gpa,同时塑性保持在~16%)。基于相分解效应,所制备的试样展现出一种全新的多级结构异质性。

分析表明:力学性能的改善可主要归于结构上的两级约束变形效应以及自生微裂纹捕捉机制。首次提出的双相异质层片结构强化机制,为高性能结构材料如高熵合金、轴承钢、工模具钢、高温合金、铝合金、铜合金、钛合金等的强度和塑性提升提供了全新思路。

生产具有优异强度和延展性的原位复合材料一直是一个挑战。 在这里利用从铸造,轧制和退火中继承的层状显微组织,生产出具有优异性能的高强塑性超细晶共晶高熵合金。

为了减少生产过程中的能耗和提高安全保障,具有超优强塑性结合的材料对于大多数工程应用都是至关重要的。不幸的是,这两种性能通常是相互排斥的,尤其是在金属材料中。共晶合金具有良好的液态流动性,可以防止常见的铸造缺陷(如内部缩松、成分偏析)损害力学性能。

此外,共晶合金规则排列的层片组织,能够视为一种原位的复合材料,从而为诱导协同强化去改善力学性能提供了基础。

基于传统共晶合金,共晶高熵合金(EHEA)的理念被提出,其结合了高熵合金和传统共晶合金的优点,表现出良好的双相层片组织和罕见的铸造缺陷。但目前为止,具有优异拉伸性能的EHEA体系只有少数几个,且性能存在大量潜在的提升空间。然而,许多报道的强化共晶合金方法,如引出线缺陷,通常会导致塑性的降低。以往的研究也表明,采用冷轧和退火工艺制备超细晶的双相组织可以显著强化共晶高熵合金,只是会轻微降低拉伸塑性。

近年来,异质结构材料概念的发展为提高金属材料的力学性能提供了新的视角,该结构通常表现出微观上不同区域具有较大的强度差别。如在纯钛中构建了一种异质的双峰态晶粒结构,由软的、粗晶层片嵌入在一个硬的、超细晶基体层中构成的,合金展现出优异的强塑性结合。这是由于在变形过程中,在高密度的异质界面上形成了较大的应变梯度,同时,硬层片会施加充分的变形约束,使软层片几乎与硬基体层一样强,从而使材料具有高屈服强度。因此,如果能够通过适当的热机械处理来遗传共晶的异质层状结构,而不是简单的仅定制出一种双相超细晶结构,就有望获得显著的强度与塑性同时增强。基于此,上海大学材料学院研究团队关于遗传微层片制备高强塑性超细晶共晶高熵合金的研究成果得以研究发表。

高强塑性超细晶共晶高熵合金

通过可控的机械热处理工艺,在AlCoCrFeNi2.1 EHEA中构建了一种双相异质层片(DPHL)结构。与一般的异质结构相比,该结构是由软/硬相,而非粗/细晶粒主导的强度异质。同时,由于EHEA的全层片特性,合金呈现出更高的异质层片密度。此外,由于独特的相分解现象,在软的面心立方(FCC)基体层中存在大量硬的晶间有序体心立方(B2)析出物,对FCC施加了额外的刚性变形约束。更令人惊讶的是,由于这种DPHL结构的引入,所制备的EHEA在变形后期可以激活微裂纹捕捉机制(外在塑韧化效应),进一步扩展了应变硬化能力(内在塑韧化效应),从而获得了较大的整体拉伸塑性。

多级的双相异质层片(DPHL)高熵合金试样与传统的金属材料以及先前报道的高性能高熵合金性能对比。(a,b)室温下拉伸性能汇总。包括铸态EHEA、超细晶EHEA、多级复杂的EHEA、双相高熵合金、亚稳高熵合金、析出强化高熵合金以及碳掺杂强化的高熵合金,他们通常显示出优异的拉伸强度与塑性的结合。由于一些高熵合金的屈服强度较低(< 400 MPa)和较差的室温塑性,这里并未进行对比。

综上所述,在这项工作中,通过引入两级约束效应和自生的微裂纹捕捉机制这两种并行的效应,成功地在AlCoCrFeNi2.1 EHEA中实现了较好的强度与塑形的组合。所观察到的优异力学性能背后的根源是超细晶结构中遗传了铸态EHEA的异质层片属性。得益于该结构的引入,超细晶双相组织获得了更好的强度与塑性的结合。而且,将相分解行为应用于优化性能,而不仅仅是单相高熵合金中常见的相不稳定现象,这可能会促进该领域的进一步研究。

此外,AlCoCrFeNi2.1 EHEA可以经过简单地加工处理以获得比传统TRIP和TWIP钢更好的力学性能,对工业应用极具吸引力。这项研究结果为强化共晶合金和制备高性能高熵合金提供了一条有前景的途径。

丰链智造技术团队感谢行业各级材料学院,对于合金新材的不断探讨研究,使国内各行业产品应用,能够得到更为精进的借鉴。

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